SiC基复合材料的发展现状及其应用.ppt

SiC基复合材料的基复合材料的发发展展现现状及其状及其应应用用制作人：杜文献制作人：杜文献 姜少燕姜少燕 王丽芸王丽芸SiC基复合材料的发展现状及其应用SiC基复合材料基复合材料常用的制备方法常用的制备方法2 2 SiC基复合材料的应用基复合材料的应用3 3 发展现状，存在问题，发展建议发展现状，存在问题，发展建议4 4E-leaningE-leaning查找的参考文献查找的参考文献查找的参考文献查找的参考文献5 5 SiC基复合材料的简介基复合材料的简介1 1SiC基复合材料简介基复合材料简介 碳化硅作为一种具有优良特性的常用陶瓷材料,其高温强度及抗热震性能良好,密度低、硬度高、耐磨损、热膨胀系数低及导热性好。,被认为是继 碳碳 复合材料之后发展起来的新型战略材料,可大幅度提高现有武器装备和未来先进武器装各性能。但是,断裂韧性低在一定程度上限制了该材料作为高温承力构件使用。向陶瓷材料中引入连续纤维增强体是提高材料断裂韧性最有效的方法之一。纤维增强基纤维增强基SiC基复合材料基复合材料 近年来近年来,纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料(FRCMC)由于具有由于具有优良的性能在国内外引起了材料工作者的极大注意优良的性能在国内外引起了材料工作者的极大注意.其主其主要特点是要特点是:当材料受载裂纹扩展时当材料受载裂纹扩展时,具有高强度、高模量的具有高强度、高模量的纤维通过各种消耗能量的途径纤维通过各种消耗能量的途径,防止材料发生灾难性的破防止材料发生灾难性的破坏坏,在一定程度上克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点在一定程度上克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点;同同时保留了陶瓷基体的耐高温、低膨胀、热稳定性好的特点。时保留了陶瓷基体的耐高温、低膨胀、热稳定性好的特点。纤维补强以其成本低廉及工艺简单而备受关注纤维补强以其成本低廉及工艺简单而备受关注,其增强其增强体可采用氧化铝纤维、硅酸铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维体可采用氧化铝纤维、硅酸铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维和碳纤维等和碳纤维等,尤为集中在碳纤维和碳化硅纤维方面尤为集中在碳纤维和碳化硅纤维方面.但由于但由于这两者均存在高温氧化问题这两者均存在高温氧化问题,使其应用受到一定的限制使其应用受到一定的限制.而而氧化物纤维则以其优良的高温抗氧化性能而成为最有前途氧化物纤维则以其优良的高温抗氧化性能而成为最有前途的补强复合材料用纤维。的补强复合材料用纤维。碳化硅基复合材料显微结构特点碳化硅基复合材料显微结构特点 复合材料中纤维和基体的分布状态如图 1所示。从图中可以看出,碳纤维束(黑色衬度区域)和碳化硅纤维束(右上角圆形的灰色衬度区域)并行排列,纤维束旁(左边)是纤维束间基体聚集区域。这种结构的形成主要由纤维编织体中纤维的排布形式决定。纤维编织过程中碳纤维和碳化硅纤维合股成一束进行编织。编织体中纤维束交叉处将形成较大的孔隙结构。在 PIP致密化过程中第 1次循环采用含纳米 SiC浆料浸渍时,将交叉处的孔隙填充,形成基体聚集区。图图 3、4分别给出了抛光面上碳化硅纤维和碳纤维聚集区分别给出了抛光面上碳化硅纤维和碳纤维聚集区域的显微结构照片。可以看出域的显微结构照片。可以看出,在纤维束内存在部分气孔在纤维束内存在部分气孔,尤尤其在碳纤维束内。由于纤维堆积比较紧密其在碳纤维束内。由于纤维堆积比较紧密(采用的碳纤维每采用的碳纤维每束的单丝纤维数量更多束的单丝纤维数量更多),PIP循环过程中无论是浆料还是循环过程中无论是浆料还是 PCS溶液都难以完全浸渍到每个部位溶液都难以完全浸渍到每个部位,使得在纤维束内留下气使得在纤维束内留下气孔。对比发现孔。对比发现,在图在图 1、2中的基体区域中的基体区域,几乎看不到明显的大几乎看不到明显的大气孔气孔,只有裂解时收缩产生的微裂纹在随后的只有裂解时收缩产生的微裂纹在随后的 PIP过程中被填过程中被填充充,形成条状的基体。形成条状的基体。纤维增强陶瓷基复合材料常用的制备方法纤维增强陶瓷基复合材料常用的制备方法 包括化学气相沉积法(CVI)、有机前驱体浸渍裂解法(PIP)、热压烧结法(HP)、反应烧结法(RS)以及上述方法组成的复合方法 其中 CVI 法是常用的方法，用 CVI 制备的材料具有密度低，均匀性较差等特点，于是发展了 FCVI 法，FCVI 是一种较新的工艺，它具有得到的材料纯度较高，孔隙率降低等特点。材料所处的环境制约着其自身的性能，SiC 基复合材料有望在航空、航天、宇宙等环境下应用，因此，对 SiCf/SiC 性能的研究最近几年主要集中在 SiC 基复合材料的抗辐射性能，弯曲和断裂韧性，疲劳性能。采用先驱体液相浸渍工艺制备的复采用先驱体液相浸渍工艺制备的复合材料的断裂是典型的分层断裂合材料的断裂是典型的分层断裂;而采而采用热压工艺制备的复合材料则是明显的用热压工艺制备的复合材料则是明显的脆断脆断,说明采用热压工艺的复合材料的说明采用热压工艺的复合材料的层间结合比采用先驱体液相浸渍工艺的层间结合比采用先驱体液相浸渍工艺的复合材料的层间结合强复合材料的层间结合强,这种强结合导这种强结合导致复合材料基体断裂时纤维也随之断裂致复合材料基体断裂时纤维也随之断裂,材料性能明显受制于基体的强度。材料性能明显受制于基体的强度。PIP 法的优点是可制备具有任何形法的优点是可制备具有任何形状的复合材料状的复合材料,并且可以获得优良的性并且可以获得优良的性能。其主要工艺过程是以纤维预制体为能。其主要工艺过程是以纤维预制体为骨架骨架,真空条件下排出纤维预制体中的真空条件下排出纤维预制体中的空气空气,采用溶液或熔融的有机聚合物前采用溶液或熔融的有机聚合物前驱体与陶瓷粉体配成的浆料浸渍驱体与陶瓷粉体配成的浆料浸渍,在惰在惰性气体保护下进行交联固化性气体保护下进行交联固化(或晒干或晒干),然后在惰性气氛中进行高温裂解然后在惰性气氛中进行高温裂解;重复重复浸渍浸渍(交联交联)裂解过程裂解过程,使材料致密化。使材料致密化。制备纤维增强碳化硅基复合材料制备纤维增强碳化硅基复合材料1、原料 增强体主要为 H-i Nicalon 纤维,其主要性能为:拉伸强度 2 800 MPa,模量 300 GPa,密度 2.5 g/cm3,直径 14 Lm;先驱体聚碳硅烷(PCS)由本校纤维研究室提供,色泽淡黄,软化点为 170e 180e,陶瓷产率约 65%;SiC 微粉粒度 1。2、实验过程、实验过程 首先首先,将将 SiC 微粉、微粉、PCS 和二甲苯以一定比例混合和二甲苯以一定比例混合,在玛在玛瑙罐中球磨瑙罐中球磨 24 h;取出浆料倒入浸渍槽中取出浆料倒入浸渍槽中,再将再将H-i Nicalon 纤纤维穿过浸渍槽维穿过浸渍槽,以固定的速率缠绕成无纬布以固定的速率缠绕成无纬布,待浆料干燥后取待浆料干燥后取下裁成下裁成 35*30 mm大小大小,叠层后以叠层后以 175e,15 MPa 的条件在金的条件在金属模具中热模压成型制得复合材料坯体。将一部分坯体放入属模具中热模压成型制得复合材料坯体。将一部分坯体放入管式炉中裂解管式炉中裂解,裂解条件为裂解条件为1 200e 下保温下保温1 h;将裂解后试样的将裂解后试样的表面擦干净表面擦干净,用用PCSB 二甲苯二甲苯=1B1(质量比质量比)的溶液真空浸渍的溶液真空浸渍,取出晾干后再裂解取出晾干后再裂解,重复浸渍重复浸渍)裂解裂解4 次次;将另一部分坯体放将另一部分坯体放入到石墨模具中采用热压法制备入到石墨模具中采用热压法制备,热压温度为热压温度为1 800e、热压、热压压力为压力为25 MPa、时间为、时间为 1 h、氩气保护。、氩气保护。详细工艺路线见图详细工艺路线见图 纤维类型对纤维类型对SiC基复合材料性能的影响基复合材料性能的影响 采用不同制备工艺制备的复合材料性能上有明显的差异。采用先驱体液相浸渍工艺制备的复合材料性能较好,弯曲强度达到 703.6 MPa,断裂韧性达到23.1 MPa。而采用热压工艺制备的复合材料性能较差,弯曲强度和断裂韧性分别仅为 465.1MPa 和 8.7 MPa。导致两者性能差别的主要原因是高温造成纤维和基体中的晶粒长大。纤维含量对复合材料影响纤维含量对复合材料影响 复合材料的抗折强度及抗热震性均随纤维加入而明显升高.这是因为复合材料在受力过程中,可通过纤维的拨出、断裂及阻止裂纹扩展等机理吸收过剩能量,从而消除裂纹尖端所集中的应力,阻止它继续延伸.同时,具有高弹性模量的纤维也可分担大部分应力,使复合材料的整体强度得以提高.由于纤维从基体中拔出所需能量最大,因而对基体强度的增加最明显.由断口显微结构照片可清晰地观察到,无论增强体是硅酸铝纤维还是氧化锆纤维,均存在纤维拔出现象.SiC 基复合材料应用基复合材料应用1、美国、俄 罗斯、德国、法 国等国家从 20 世纪 80 年代初开始进行SiC材料在反射镜方面的应用研究。美国联合技术光学系统公司和其他公司曾率先开发用于军用 高功率激光器反射镜材料的SiC。经过十多年的努力,成功地研制出高度轻量化的碳化硅反射镜。2、SiC基复合材料 以其低活性,抗辐射能力强,高的热导率等方面的优异性能,在核应用方面同样显 示出很好 的发展潜力。3、SiC基复合材料具有与 SiC很好的物理及化学相容性,作为SiC电子元件 的载体,具有非常显著的优势,可以显著降低 电子产品 的重量,实现轻量化 的目标;提 高电子产品 的抗磨损、防震等功能,为SiC基复合材料开辟新的应用领域。激光反射镜激光反射镜 碳化硅复合材料发动机碳化硅复合材料发动机铝碳化硅铝碳化硅 碳化硅纤维增强钛合碳化硅纤维增强钛合金金SiC基复合材料存在问题基复合材料存在问题 SiC复合材料作为承力件还没有大规模的工 业应用,且只 有一般力学性能方面 的有限数据,如强度和疲劳特性。因此,将其应用于核聚变反应堆的极端环境(如第一层器壁或转盘)是不成熟的。在这些结构中,不仅静态载荷和循环载荷将非常高，碳化硅复合材料的利用将重点放在这些领域的结构替换上。SiC基复合材料发展建议基复合材料发展建议 SiC基复合材料的研究虽然取得了一定的成就,但是,仍有多个方面的问题阻碍了SiC 基复合材料在航空发动机方面的应用。首先是设计者缺乏 SiC基复合材料的性能数据和设计经验,也缺少在特定应用条件下SiC预期寿命评估的数据与工 具:其次是成本方面的问题,CMCs构件 的成本是传统高温合金的几倍:再次是CMCs材料本身应用于航空发动机高温 结构部件时所要克服的一些问题。在喷气发动机中,构件必须暴露于高温、强烈的机械及热应力、水气、氧和燃烧的固体颗粒的侵蚀,在海军使用的环境中还有海盐在压缩室的积累造成的腐蚀,以及在燃烧室里富含燃烧副产物盐酸盐和硫酸盐等所引起的对SiC材料形成的加速氧化等等。参考文献参考文献参考文献参考文献1张长瑞，陈朝辉，冯春详张长瑞，陈朝辉，冯春详.纤维增强陶瓷复合材料纤维增强陶瓷复合材料J.宇航材料工艺宇航材料工艺.1989,19(1):8-13.2郑文伟郑文伟,工兴业工兴业,刘风荣刘风荣,等等.三维整体编织物增强陶瓷基复合材料的制备工艺及性三维整体编织物增强陶瓷基复合材料的制备工艺及性能表征能表征J.复合材料学报复合材料学报.1997,14(1):48-53.3曹英斌曹英斌,张长瑞张长瑞,周新贵周新贵,等等.热压烧结法制备热压烧结法制备Cf/SiC陶瓷基复合材料研究陶瓷基复合材料研究J.宇航材宇航材料工艺料工艺,1998,28(6):35-37.4钦征骑钦征骑,钱杏南钱杏南,贺盘发贺盘发.新型陶瓷材料手册新型陶瓷材料手册 M .南京南京:江苏科学技术出版社江苏科学技术出版社,1996.264-473.5 朱云洲朱云洲,黄政仁黄政仁,董绍明董绍明,等等.C/SiC 复合材料的常压制备与性能研究复合材料的常压制备与性能研究 J.无机材无机材料学报料学报,2007,22(4):687-689.6所俊所俊,郑文伟郑文伟.Cf/iC复合材料先驱体转化法浸渍工艺条件优化复合材料先驱体转化法浸渍工艺条件优化J.宇航材料工艺宇航材料工艺,2000(2):29-32.7王志钢王志钢,朱德贵朱德贵.J.硅酸盐通报硅酸盐通报,2006 年年 04 期：期：6108陈文浩，陈文浩，D.成都：西南交通大学材料科学与工程学院成都：西南交通大学材料科学与工程学院,2006 年年 6 月：月：40 429 郭双全，朱德贵，郭双全，朱德贵，J.佛山陶瓷佛山陶瓷,2007,17(10)：8 1110韩杰才韩杰才,张玉民张玉民,赫晓柬赫晓柬.大尺寸轻型大尺寸轻型 SiC 光学摆镜研究进展光学摆镜研究进展 J.宇航学报宇航学报,2000(11):124-132.11宋春涛宋春涛,李英才李英才.空间指向摆镜的轻量化研究空间指向摆镜的轻量化研究.光子学报光子学报,1998(4):377-381.12张玉娣张玉娣,张长瑞张长瑞,周新贵周新贵,等等.SiC 基陶瓷卫星反射镜研究进展基陶瓷卫星反射镜研究进展.材料导报材料导报,2002(9):37-39.13赵洪波赵洪波,樊学武樊学武,李英才李英才,等等.航天侦察系统中的碳化硅指向摆镜的有限元分析航天侦察系统中的碳化硅指向摆镜的有限元分析.光学技术光学技术,2003(7):387-390.谢谢观看