SiCf/SiC复合材料高温抗氧化研究进展

连续SiC纤维增韧SiC陶瓷基复合材料(SiCf/SiC CMCs)具有低密度、优异的高温力学性能和抗氧化性能,在航空发动机热端部件上具有广阔的应用前景,具备提高发动机推重比和使用温度、减轻无效重量、简化系统结构等显著优势.延长SiCf/SiC复合材料在航空发动机高温氧化环境下的服役寿命是当前需要解决的难题.本文从纤维、界面相、基体、表面涂层四个方面综述了SiCf/SiC复合材料高温抗氧化研究进展.采用多元多层自愈合界面相、对基体进行改性以及采用表面自愈合整体涂层都可以有效提高SiCf/SiC复合材料在高温氧化环境中的使用稳定性和寿命.     

SiC/SiC复合材料抗氧化界面相的研究现状及展望

SiC/SiC复合材料具有耐高温、抗氧化、耐烧蚀、抗热震等优异性能,是航空航天领域理想的高温结构材料。界面相是影响SiC/SiC复合材料性能的关键因素之一。依据陶瓷基复合材料界面相设计理念的不同,本工作将SiC/SiC复合材料界面相分为层状结构、难熔氧化物、稀有金属盐、多元陶瓷4大类,综述了各类界面相的材料种类与形式、力学及抗氧化性能改性效果、性能影响因素及作用机理、存在的问题,并对未来发展趋势进行了展望。     

SiCf/SiO2复合材料的制备及界面层对其力学性能的影响

以碳化硅(SiC)纤维为增强体,采用真空浸渍法制备了2.5维连续SiC纤维增韧的SiO2基(SiCf/SiO2)复合材料,研究了SiC纤维编织体上不同的界面层对SiCf/SiO2复合材料力学性能的影响.化学气相渗透(CVI)法制备的热解碳(PyC)和PyC/SiC双层界面层分别使材料的抗弯强度由无界面层的52.2 MPa提高至67.4 MPa和180.3 MPa,但均使材料的韧性降低.用扫描电镜观察了材料的断口形貌,结果表明,PyC和PyC/SiC层不仅提高了材料的抗弯强度,而且增加了基体同纤维间的结合力,使基体有效地将载荷传递给纤维.PyC/SiC层能有效地保护SiC纤维,防止烧结过程中释放出的结晶水对纤维的损伤,有助于提高材料的力学性能.     

基体改性对SiC/SiC复合材料高温抗氧化性能的影响

采用先驱体浸渍-裂解工艺结合三种基体改性方式制备了SiC/SiC复合材料,通过形貌分析和力学性能测试,分析了基体改性对Si C/SiC复合材料高温抗氧化性能的影响。研究表明,经1200℃静态空气氧化100h后,三种基体改性的复合材料弯曲强度几乎没有下降,氧化200h后,弯曲强度保留率均可达到80%;氧化300h后,复合材料内部结构没有氧化现象,表面区域界面层的氧化程度降低。改性基体中的B元素氧化生成液相封填SiC涂层表面,延缓了SiC涂层的氧化进程,并阻止氧化介质进入复合材料内部,保护纤维和界面层,从而使SiC/SiC复合材料的长时静态高温抗氧化性能明显提高。     

低压化学气相渗透法制备2.5维SiCf/SiC复合材料

采用低压化学气相渗透法制备了具有和不具有热解炭界面层的2.5维连续SiC纤维增强的SiC复合材料(SiCf/SiC).SiC纤维的体积分数为30%和41%.所制备复合材料的气孔率为20%左右.当纤维为30%时,沉积有0.1 μm热解炭界面层的复合材料的弯曲强度由未加热解炭界面层的232MPa增加到328MPa,而且材料由灾难性断裂转变为非灾难性断裂.在同一制备条件下,纤维体积分数为41%的SiCf/SiC比30%的SiCf/SiC具有更高的气孔率.纤维为41%时,热解炭界面层厚度为0.1 μm的SiCf/SiC的弯曲强度只有244MPa,但是它具有更高的韧性和更长的纤维拔出长度.     

Nicalon SiC纤维增强SiC复合材料制备工艺研究

本文对SiC纤维增强SiC复合材料的制备工艺进行了研究.将Nicalon SiC短纤维、SiC颗粒、钾长石、高岭土按设计的配方通过干法混合,干压成型后采用常压烧结法制备出SiCf/SiC复合材料;利用DTA分析混合粉体的热物理性能,采用XRD分析烧成前后材料的物相,利用SEM观察样品的显微结构,并测定了样品的致密度和抗弯强度.研究结果表明:常压烧结温度1115 ℃,保温时间2 h可制备出性能良好的SiCf/SiC复合材料.     

SiCf/SiC复合材料涡轮导向叶片的抗热冲击性能研究

SiCf/SiC复合材料是新型航空发动机热端部件的标志性材料,涡轮导叶在发动机中的服役环境最为苛刻,其中,抗热冲击性能是考核导叶的关键性能之一.本文以不同铺层方式的SiCf/SiC复合材料涡轮导向叶片的叶身典型结构为研究对象,针对不同SiC纤维铺层方式对叶身结构的成型缺陷、水淬热震性能等的影响进行了探索研究,结果显示:...     

界面层对陶瓷基复合材料性能的影响

纤维增强SiC陶瓷基复合材料由纤维、界面层和SiC基体组成。界面层可以传递载荷和偏转裂纹,同时防止纤维受到材料制备和使用过程中的化学侵蚀,对于调节SiC陶瓷基复合材料的各项性能具有非常重要的作用。本文在叙述界面层功能的基础上,讨论了界面层对陶瓷基复合材料的力学、耐高温及抗氧化性能的影响,并分析了研究中存在的问题,指出了未来研究的方向和重点。     

热处理工艺对Mini C/SiC复合材料拉伸性能和强度分布的影响

采用5种工艺制备了C纤维束增韧SiC陶瓷基复合材料(Mini C/SiC),研究了热处理工艺对不同制备工艺条件下Mini C/SiC复合材料拉伸性能和强度分布的影响。实验结果表明:在不进行热处理的Mini C/SiC复合材料中引入热解炭(PyC)界面相可提高拉伸性能和强度稳定性。与不进行热处理的MiniC/SiC复合材料相比,对引入PyC界面相复合材料的C纤维束和/或PyC界面相进行热处理均可提高拉伸性能。热处理温度小于等于1700℃时,先对C纤维进行热处理然后再沉积PyC界面相的MiniC/SiC复合材料,其拉伸性能最好。热处理温度为2 000℃时,先对C纤维沉积PyC界面相然后再进行热处理的Mini C/SiC复合材料,其拉伸性能最好。热处理温度对Mini C/SiC复合材料变形行为有着显著的影响,热处理温度不同时,复合材料表现出了不同的变形行为。     

镁含量对无压浸渗SiC/Al复合材料性能的影响EI北大核心CSCD

以SiC粉及铝合金(3%Mg(质量分数)、5%Mg、7%Mg、10%Mg)为主要原料,采用无压浸渗工艺制备得到了SiC/Al复合材料。表征了SiC/Al复合材料的物相组成、显微结构、力学性能及热导率,研究了合金中Mg含量对SiC/Al复合材料结构组成、力学及热学性能的影响。结果表明:制备得到的SiC/Al复合材料主晶相均为SiC与Al。适量Mg的引入有助于改善铝合金与SiC颗粒间的浸渗性能,能有效促进SiC/Al复合材料的界面反应。其中引入5%Mg样品的显微结构较为致密,综合性能较优,其气孔率为0.13%,体积密度为2.94 g/cm3,抗弯强度为(366.36±14.37)MPa,断裂韧性为(9.2±0.27)MPa·m1/2,热导率为178.81 W/(m·K)。     

单颗磨粒划擦SiCf/SiC复合材料试验研究

为研究纤维增强SiC陶瓷基复合材料磨削机理,进行单颗磨粒划擦试验.搭建试验平台,采用电镀后的单颗金刚石磨粒划擦SiCf/SiC复合材料,实时采集划擦力.利用SEM图像对材料去除后的表面与存在的表面损伤形式进行表征,从而揭示磨粒形状、划痕深度与SiC纤维取向对磨削机理的影响.试验结果表明,SiCf/SiC复合材料划擦过程...     

镁含量对无压浸渗SiC/Al复合材料性能的影响

以SiC粉及铝合金(3%Mg(质量分数)、5%Mg、7%Mg、10%Mg)为主要原料,采用无压浸渗工艺制备得到了SiC/Al复合材料。表征了SiC/Al复合材料的物相组成、显微结构、力学性能及热导率,研究了合金中Mg含量对SiC/Al复合材料结构组成、力学及热学性能的影响。结果表明:制备得到的SiC/Al复合材料主晶相均为SiC与Al。适量Mg的引入有助于改善铝合金与SiC颗粒间的浸渗性能,能有效促进SiC/Al复合材料的界面反应。其中引入5%Mg样品的显微结构较为致密,综合性能较优,其气孔率为0.13%,体积密度为2.94 g/cm~3,抗弯强度为(366.36±14.37) MPa,断裂韧性为(9.2±0.27) MPa·m~(1/2),热导率为178.81 W/(m·K)。     

碳化硅/环氧树脂导热复合材料的制备与性能

采用浇铸成型法制备碳化硅/环氧树脂(SiC/EP)导热复合材料,研究了SiC种类、粒径、用量和表面改性方法对SiC/EP复合材料的导热性能、力学性能和热性能等影响。结果表明:SiC/EP复合材料的导热系数随纳米级SiC用量增加而增大,当φ(纳米级SiC)=17.80%时,导热系数为0.954 6 W/(m.K);SiC/EP复合材料的弯曲强度和冲击强度随纳米级SiC用量增加均呈先升后降态势,当φ(纳米级SiC)=3.50%时,两者均达到最大值。SiC经表面改性后可有效提高复合材料的导热性能和力学性能,并且改性SiC的加入可有效降低EP的玻璃化转变温度。     

2.5维碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的力学性能

采用低压化学气相渗透法制备了具有热解碳界面层的2.5维SiCf/SiC复合材料.研究了界面层厚度和基体制备工艺对材料力学性能的影响.结果表明:0.1μm厚的界面层使材料的弯曲强度提高了104.2%从144增加到294MPa),材料表现为非灾难性断裂;界面层厚度进一步增加(到0.161μm),纤维的增强效果减弱,材料的断裂行为变差.基体制备温度由1050℃降到950℃时,材料强度增加了≈45%(从188增加到274MPa):制备压力由8kPa增加到16kPa时,气孔率升高,SiC基体晶粒形状由菱形变为球形.基体的球形晶粒有利于提高材料的承载能力,虽然复合材料的气孔率较高,但其弯曲强度却稍有增加.     

竹炭/SiC复合材料结构及其吸波性能

以Si粉、竹炭为原料,采用包埋法制备具有类蜂窝结构的竹炭(bamboo carbon,BC)/SiC复合材料。结果表明:BC/SiC复合材料主要由β–SiC相、少量α–SiC相和非晶碳组成。BC/SiC复合材料呈蜂巢状多孔结构,孔内壁分布着直径大小不同、相互熔结连接的SiC三维聚集体结构层,其断裂韧性为18.8 MPa·m1/2,弯曲强度为34.5 MPa。BC/SiC复合材料形成的两相界面,提高了BC/SiC复合材料的吸波性能:介电常数实部最大值为9.14,虚部最大值为2.06;样品厚度为2.5 mm时,在10.7 GHz处,最低反射系数为–10.16 dB;反射系数–8 dB的有效吸收带宽达2.1 GHz。     

竹炭/SiC复合材料结构及其吸波性能

以Si粉、竹炭为原料,采用包埋法制备具有类蜂窝结构的竹炭(bamboo carbon,BC)/SiC复合材料。结果表明:BC/SiC复合材料主要由β–SiC相、少量α–SiC相和非晶碳组成。BC/SiC复合材料呈蜂巢状多孔结构,孔内壁分布着直径大小不同、相互熔结连接的SiC三维聚集体结构层,其断裂韧性为18.8 MPa·m1/2,弯曲强度为34.5 MPa。BC/SiC复合材料形成的两相界面,提高了BC/SiC复合材料的吸波性能:介电常数实部最大值为9.14,虚部最大值为2.06;样品厚度为2.5 mm时,在10.7 GHz处,最低反射系数为–10.16 dB;反射系数–8 dB的有效吸收带宽达2.1 GHz。     

竹炭/SiC复合材料结构及其吸波性能

以Si粉、竹炭为原料,采用包埋法制备具有类蜂窝结构的竹炭(bamboo carbon,BC)/SiC复合材料。结果表明:BC/SiC复合材料主要由β–SiC相、少量α–SiC相和非晶碳组成。BC/SiC复合材料呈蜂巢状多孔结构,孔内壁分布着直径大小不同、相互熔结连接的SiC三维聚集体结构层,其断裂韧性为18.8 MPa·m1/2,弯曲强度为34.5 MPa。BC/SiC复合材料形成的两相界面,提高了BC/SiC复合材料的吸波性能:介电常数实部最大值为9.14,虚部最大值为2.06;样品厚度为2.5 mm时,在10.7 GHz处,最低反射系数为–10.16 dB;反射系数–8 dB的有效吸收带宽达2.1 GHz。     

连续纤维增强碳化硅复合材料界面区研究进展

界面区对于连续纤维增强陶瓷基复合材料的性能水平有着决定性的影响,其中以纤维/基体界面涂层最为关键.本文介绍了常见的四种界面区类型,在探讨界面区作用机制与要求的基础上,综述了C/SiC和SiC/SiC复合材料中C、BN、碳化物、氧化物等界面涂层材料及其制备技术的研究现状,指出了存在的问题与发展趋势.     

掺碳SiC颗粒对MOSi2复合材料性能的影响

研究分析了掺碳SiCp/MoSi2复合材料的相组成、室温和高温力学性能、高温抗氧化性能、耐磨性能以及电阻率.结果表明(SiCp+C)/MoSi2复合材料主要由MoSi2,α-SiCp,Mo5Si3和β-SiC组成.材料的密度和相对密度分别为5.12g/cm3和91%;Vickers硬度,抗弯强度和断裂韧性分别为12.2GPa,530MPa和72MPa.m1/2;800℃的Vickers硬度为8.0GPa,1200℃和1400℃的抗压强度分别为560MPa和160MPa.材料的抗氧化性能优良.在Al2O3和SiC磨盘上表现出优异的耐磨性能.电阻率为40.2μΩ.     

竹炭/SiC复合材料结构及其吸波性能

以Si粉、竹炭为原料,采用包埋法制备具有类蜂窝结构的竹炭(bamboo carbon,BC)/SiC复合材料。结果表明:BC/SiC复合材料主要由β-SiC相、少量α-SiC相和非晶碳组成。BC/SiC复合材料呈蜂巢状多孔结构,孔内壁分布着直径不同、相互熔结连接的SiC三维聚集体结构层,其断裂韧性为18.8 MPa·m~(1/2),弯曲强度为34.5 MPa。BC/SiC复合材料形成的两相界面,提高了BC/SiC复合材料的吸波性能:介电常数实部最大值为9.14,虚部最大值为2.06;样品厚度为2.5 mm时,在10.7 GHz处,最低反射系数为–10.16 dB;反射系数–8 dB的有效吸收带宽达2.1 GHz。