关键词： 复合材料   复合涂层   碳纤维增强碳   超高温陶瓷   制备工艺   抗烧蚀性能  

摘要： 碳纤维增强碳(Cf/C)、碳纤维增强碳化硅(Cf/SiC)等复合材料具有低密度、高比强度和比模量、耐腐蚀、高热导、低热膨胀系数、耐烧蚀等优点，被视为飞行器鼻锥、前缘和控制面板等高温部位最理想的防热材料。但是Cf/C在400℃即开始氧化，涂覆有抗氧化涂层的Cf/C的使用温度一般也不超过1650℃，而Cf/SiC在有氧环境下的较长时间使用温度极限为1650℃，均难以满足未来高超声速飞行器对防热材料提出的长时间耐高温、抗氧化、非烧蚀的使用要求。本文围绕提高材料抗氧化、抗烧蚀性能这一主题，结合不同的应用环境，通过对复合材料及其涂层的不同构筑单元进行设计，开发出了两种新型的碳纤维增强碳基-超高温陶瓷基复合材料以及两种抗氧化涂层。其主要研究内容和结果如下:　　1)从陶瓷基复合材料的非烧蚀要求出发，采用快速化学气相渗透(CVI)结合前驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备了一种三明治结构复合材料，即两侧表层约1.5mm区域为致密ZrB2-ZrC改性Cf/SiC复合材料，中心3mm区域为致密Cf/SiC复合材料。该结构有效减轻了材料的整体密度，并增加了表层超高温陶瓷的含量，从而提高了材料的超高温耐烧蚀性能，显示出很好的非烧蚀特性。对该材料的可重复使用特性和烧蚀机理进行了评价及分析，结果显示:材料循环烧蚀6次，累计烧蚀1000s的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.415μm/s和0.0252mg/cm2，强度衰减率仅有8％，其烧蚀率主要受陶瓷氧化增重控制以及玻璃相挥发和粉末状ZrO2的机械剥蚀控制;一次烧蚀1000s后的烧蚀率为1.30μm/s和0.0335mg/cm2，强度衰减率为9-13％，其烧蚀率先受陶瓷氧化增重控制，随后受网胎层氧化物的机械剥蚀和无纬布层碳纤维的氧化交替控制。　　2)从陶瓷基复合材料的多功能化要求出发，采用CVI结合浆料法(SI)工艺制备了一种皮层结构复合材料，即表层2mm区域为致密Cf/C-ZrB2-SiC，中心3mm区域为多孔Cf/C-ZrB2-SiC，另一侧1mm区域为致密Cf/C-SiC。该结构大幅降低了材料的整体密度，在保持较高强度的同时有效降低了材料Z向热导并提高了材料的抗烧蚀性能。对该材料的力学行为、热物性能和烧蚀特性进行了评价和分析，结果显示:整体密度为1.65g/cm3的皮层复合材料，其弯曲强度为260MPa，Z向热导率为3.29W/m·K，循环烧蚀10次累计烧蚀1000s后线烧蚀率为0.79μm/s。与传统结构Cf/SiC复合材料相比(2.1g/cm3)，其密度下降了21％，热导率下降了65％，而弯曲强度仅降低了16％。从而在某种程度上实现了减重、承载、隔热、抗烧蚀等多功能。　　3)从各组元在不同温度下的耗氧机制出发，采用CVD结合浆料涂刷工艺制备了两种不同温度段使用的复合涂层。在中低温段，设计了一种SiC/B4C-B2O3-SiO2-Al2O3双层复合涂层。该涂层在600℃、700℃、800℃、900℃和1000℃下分别可以实现对Cf/C复合材料210h、21h、250h、90h和90h的氧化防护，其中800℃下的防护时间为文献报道的最长时间。在中高温段，设计了一种SiC/UHTC/SiC复合涂层，带涂层的Cf/SiC样品在1100℃和1300℃下氧化114h失重率分别为0.12％和0.60％，在1500℃下氧化68h氧化失重率为1.1％。

关键词： 热防护   陶瓷基复合材料   试验   力学性能   疲劳极限  

摘要： 热防护系统面板材料是关系到高超声速飞行器安全的关键热防护技术,因此对于热防护系统面板材料性能的研究十分关键。陶瓷基复合材料具有耐高温及稳定性好等优点,因而成为高超声速飞行器最重要的热防护材料。本文分别针对两种不同的陶瓷基复合材料(2维编织碳纤维增强碳化硅基复合材料,莫来石纤维增强硅氧铝基复合材料)通过MTS材料试验机对其性能进行试验研究。首先,对两种材料的试样在室温下进行单向拉伸试验,处理得到两种材料拉伸试验的应力-应变曲线、弹性模量和极限应力等特性,通过对应力-应变曲线的拟合总结出该材料在受到拉伸载荷直至断裂破坏过程中应力-应变关系的规律。然后,通过升降法对两种材料进行疲劳试验,将所得到每个试件的循环加载寿命、加载应力水平等参数进行整理并计算得出两种材料的疲劳极限,并给出了两种材料常温双参数应力-疲劳寿命模型,分析了两种材料的疲劳特征。进一步分析在疲劳试验中不同试验完成形式的试件刚度等力学性能在实验过程中的变化;不同的加载频率、加载应力级等加载条件对材料刚度等力学性能的影响及变化趋势;疲劳试验前、中、后期材料刚度、极限应力等性能的变化,将所有实验所得到的弹性模量进行正态分布判定。最后,对具有代表性的试件的断口进行SEM电镜观测,观察不同断裂形式试件断口的特点,对比分析断口之间特点的相同与不同之处,进而讨论材料在拉伸载荷下形成损伤、发展、并最终导致整体失效的损伤演化过程。

关键词： 碳纳米管   氮化硅纳米线   碳化硅基体   碳化硼基体   热解碳界面   C/SiC复合材料   化学气相渗透法(CVI)   力学性能   抗氧化性能   快速致密化  

摘要： 提高连续纤维增韧碳化物陶瓷基复合材料的力学性能,缩短其制备周期,特别是加快化学气相渗透法(CVI)制备该材料时冗长的致密过程,是满足科技发展对结构材料日益增长的要求和降低成本、扩大此类材料应用范围所面临的关键问题。一维纳米材料,如碳纳米管(CNT)和氮化硅(Si3N4)纳米线等,具有极高的强度和韧性,是脆性陶瓷理想的增强体。将一维纳米材料引入碳化物陶瓷基复合材料中不仅能够改善其力学性能,还可优化复合材料的预制体结构,从而加快其CVI制备过程。但是,到目前为止,制备一维纳米材料增强的陶瓷基复合材料还存在许多问题,系统的研究尚未展开,材料的力学性能也有待进一步提高。因此,本文采用CVI方法制备了定向碳纳米管增强的碳化硅(ACNT/SiC)和碳化硼(ACNT/B4C)陶瓷基复合材料,以及Si3N4纳米线改性的Mini和三维缝合碳纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料。通过对这些材料的制备工艺、微观结构、界面设计、力学性能和抗氧化性能等方面的系统研究,为一维纳米材料在陶瓷基复合材料中的应用奠定实验和理论基础。具体的研究内容和结果如下:(1)ACNT/SiC陶瓷基复合材料的制备和性能研究。以ACNT薄片为预制体,采用CVI方法渗透SiC基体,得到了高性能的ACNT/SiC复合材料。结果表明:1)可根据复合材料表面ACNT/SiC纳米线的直径变化情况和材料横截面的微观形貌,优选CVI工艺参数;2)采用CVI技术有效地解决了以往制备CNT增强陶瓷基复合材料的过程中遇到的CNT团聚、损伤,以及与陶瓷基体结合强度低等技术难题,使得结构完整的ACNT增强体得以在复合材料中均匀分布,并与无裂纹的非晶态SiC基体形成了较强的界面结合;3)ACNT自身台阶状的断裂拔出及其桥联增韧作用,使复合材料的力学性能得到了明显的提高,随着渗透时间的增加,ACNT/SiC纳米线的力学性能逐渐降低,然而,经30 min渗透得到的纳米线的断裂强度仍要比传统SiC材料高出约1个数量级;4)1600°C以下,复合材料内部的ACNT增强体得到了有效的保护,未发生明显的氧化失效。(2)ACNT/B4C陶瓷基复合材料的制备和性能研究。采用CVI方法制备出了性能优异ACNT/B4C复合材料。结果表明:1)复合材料中ACNT结构完整、分布均匀,且与B4C基体结合强度高,非晶态的B4C基体均匀致密地包覆在ACNT表面,无裂纹产生;2)ACNT/B4C纳米线的断裂强度比传统的B4C陶瓷及其复合材料高出了1个数量级;3)在70000°C之间,复合材料表面形成的致密的B2O3玻璃层可有效地保护材料内部的ACNT增强体,避免其氧化失效。(3)ACNT/B4C陶瓷基复合材料热解碳(PyC)界面层的制备。先通过CVI方法,向ACNT薄片预制体内渗透PyC界面层,随后制备出含PyC界面层的ACNT/B4C(ACNT/PyC/B4C)复合材料。结果表明:1)通过工艺参数的优化,能够在ACNT上获得表面较为光滑平整,且厚度均匀可控的PyC界面层;2)得到的PyC界面层为石墨化程度较高的石墨烯层,它们均匀完整地包覆在原始ACNT表面,形成了形貌统一、结构连续的整体;3)石墨烯层是通过在ACNT表面不断交替进行的石墨烯形核和生长自组装形成的;4)石墨烯层强度偏低、与原始ACNT结合较弱,说明其内部存在缺陷,且与原始ACNT存在一定程度的晶格失配;5)ACNT/PyC/B4C复合材料呈现出明显的台阶状断裂,说明PyC界面层的引入有效地弱化了ACNT和B4C之间的结合,提高了复合材料的韧性。(4)含Si3N4纳米线的碳纤维增强体的制备。采用催化剂辅助聚合物先驱体浸渍裂解法,在碳纤维束和碳布两种碳纤维增强体上原位生长了纯净的α-Si3N4纳米线。结果表明:1)纳米线在碳纤维增强体上均匀分布,生长方向随机,长度可达几百微米,表面平整光滑,顶端无颗粒附着;2)纳米线的生长遵从固-液-气-固生长机理;3)原位生长的Si3N4纳米线在碳纤维增强体表面构成了一个疏松的网络,此网络具有可设计性,可以通过工艺参数的改变调整其厚度和纳米线密度。(5)Si3N4纳米线改性的Mini-C/SiC复合材料的制备和性能研究。以原位生长了Si3N4纳米线的碳纤维束为预制体,采用CVI方法制备出了两种纳米线密度不同的Mini-C/SiC复合材料。将它们与不含纳米线的传统Mini-C/SiC复合材料进行对比后发现:1)适量Si3N4纳米线的引入不仅实现了复合材料的快速致密化,还有效地增强了SiC基体,改善了材料的力学性能;2)纳米线和碳纤维的体积分数分别在Mini复合材料的基体强度和拉伸强度中起决定性作用;3)复合材料中纳米线的密度应该在合理的区间内,若其过高会导致材料致密度和力学性能的下降。(6)Si3N4纳米线改性的三维缝合C/SiC

关键词： 陶瓷基复合材料   负介电常数   负磁导率   导电网络  

摘要： 多孔陶瓷在航空、军事、能源、化工、冶金、环保等许多领域具有重要意义。在多孔陶瓷中担载导电、磁性等功能体,可赋予其新的功能特性,对于探索负介电常数、负磁导率具有重大理论意义,在军用大功率微波管衰减体等结构功能一体化材料领域具有重要应用背景。本文以耐高温、耐老化、化学稳定性优异的氧化铝陶瓷和亚铁磁性的钇铁石榴石陶瓷为载体,利用浸渍法在多孔陶瓷中担载导电相,制备了含导电相的陶瓷基复合材料。通过改变基体类别、导电相种类、组分和微观形貌对负介电常数和负磁导率进行调控。利用XRD、SEM、VSM、HP4991阻抗分析仪对复合材料进行测试分析,结合逾渗现象、等效电路、自由电子模型等理论研究了影响复合材料电磁行为的因素,在特定的频段实现了负介电常数和负磁导率。以多孔氧化铝陶瓷为基体成功制备了Co/Al2O3、C/Al2O3复合材料。在CO/Al2O3复合材料中,随着钴含量的增加,三维金属钴网络逐渐形成并均匀分布在氧化铝陶瓷的孔壁上,在逾渗阈值附近复合材料的电磁性能发生突变。高于逾渗阂值的样品,由于等效电感的出现导致负介电。而负磁导率的产生是由于金属钴网络的涡流共振以及磁共振引起。用化学方法处理CO/Al2O3复合材料,可以使原来颗粒状钴变为低维片状结构,钴网络的破坏使负介电现象消失,说明三维钴网络的形成对负介电和负磁导率是至关重要的；在C/Al2O3复合材料中,蔗糖碳化后在多孔氧化铝孔壁上形成一层碳的膜状结构,随着碳含量的增加膜连续性增强且变厚,从而在高频电磁场下导电通路增多。当碳含量为14 wt%时,由于等离子体共振介电常数全部为负值,磁导率表现出抗磁性。以多孔钇铁石榴石陶瓷为基体成功制备了Co/YIG、C/YIG复合材料。在CoA/YIG中,随着钴含量的增加,钴由颗粒状逐渐连接为三维网络状均匀分布在YIG孔壁上。钴含量为35 wt%时,CoA/YIG复合材料在575 M-1G频段内出现双负性质。其负介电出现机理与Co/Al2O3类似,而负磁导率是由于基体的畴壁共振、磁旋共振等以及三维导电网络的涡流共振引起的；对于C/YIG复合材料,碳化后YIG孔壁上的碳主要有颗粒状和不规则片层状两种形貌。随着碳含量的增加,复合材料导电性增强,负介电出现并且表现出抗磁性。

关键词： 铝硅酸盐纤维   陶瓷基复合材料   氧化物   微观结构   力学性能   界面相   牺牲碳  

摘要： 连续氧化物纤维增强氧化物（Oxide/Oxide）陶瓷基复合材料（CMCs）具有高韧性、高比强度和高比模量,抗氧化性能和介电性能优异,是目前高温结构和功能材料研究的重要方向。本文以连续铝硅酸盐（AS）纤维和氧化物（SiO2和Al2O3-SiO2）溶胶为原料,在纤维和基体特性研究的基础上,经溶胶-凝胶（Sol-Gel）工艺制备了AS_f/Oxide复合材料。重点研究了热处理温度对复合材料微观结构、力学性能和界面特性的影响。从力学性能优化的角度出发,开展了AS_f/Oxide复合材料的界面调控研究,采用的界面相为裂解碳（Py C）和牺牲碳（FC）。最后,从高温应用的角度出发,对优选的AS_f/Oxide复合材料的力/热/电等综合性能进行了研究。对AS纤维组成、结构和力学性能的高温演变行为进行了研究,结果表明:AS纤维主要由γ-Al2O3和无定形SiO2组成,经1100℃处理后,发生莫来石化反应。随着温度的继续升高,莫来石晶粒逐渐长大。AS纤维表面均匀致密,经高温处理后,纤维表面逐渐变粗糙并形成明显的晶粒和微孔。纤维发生的晶型转变和晶粒长大过程对其力学性能影响较大。随着热处理温度的升高,纤维的强度分散性逐渐增加,单丝拉伸强度逐渐降低。当热处理温度低于1300℃时,强度保留率≥73.26%;1400℃热处理后,强度保留率降至33.69%。SiO2溶胶中胶粒粒径较小、分散均匀度较高。其凝胶为无定形结构,经1400℃煅烧后,SiO2玻璃中析出方石英。当烧结温度超过1000℃时,SiO2陶瓷的烧结程度较高,致密度>90.0%。Al2O3-SiO2溶胶由球形SiO2胶粒和棒状勃姆石胶粒组成,胶粒粒径较大。其凝胶由勃姆石和无定形SiO2组成,经1300℃煅烧后,发生莫来石化反应。当烧结温度超过1200℃时,Al2O3-SiO2陶瓷烧结程度较高,致密度>80.0%。随着烧结温度的升高,SiO2和Al2O3-SiO2陶瓷的弹性模量和硬度均逐渐升高。开展了AS_f/Oxide复合材料的制备与性能研究,结果表明:随着热处理温度的升高,复合材料的密度逐渐升高、孔隙率逐渐降低,弯曲强度、剪切强度和断裂韧性均先升高后降低。900℃制备的AS_f/SiO2复合材料的弯曲强度、剪切强度和断裂韧性均达最大,分别为119.7±7.5（MPa）、10.8±0.7（MPa）和4.0±0.4（MPa·m1/2）。当热处理温度高于1100℃时,AS_f/SiO2复合材料中基体裂纹会贯穿纤维,纤维压入测试（Fiber push-in test）研究证实复合材料的界面剪切强度显著增加,TEM分析证实纤维与基体之间发生了扩散反应;1100℃制备的AS_f/Al2O3-SiO2复合材料的弯曲强度、剪切强度和断裂韧性均达最大,分别为90.0±6.8（MPa）、11.1±1.0（MPa）和3.6±0.2（MPa·m1/2）。当热处理温度高于1200℃时,AS_f/Al2O3-SiO2复合材料中基体裂纹会贯穿纤维,界面剪切强度显著增加且发生界面反应。研究了AS_f/Oxide复合材料的高温力学性能,结果表明:随着温度的升高,复合材料的弯曲强度先升高后降低,弹性模量则一直降低。900℃时,AS_f/SiO2复合材料的弯曲强度达最大,为132.2±14.5（MPa）;1000℃时,AS_f/Al2O3-SiO2复合材料的弯曲强度达最大,为122.7±7.9（MPa）。开展了AS_f/Oxide复合材料的界面调控研究,结果表明:当CVD Py C涂层的沉积温度为1000℃、沉积时间低于5h时,涂层的生长过程受表面反应控制,涂层结晶性较好、厚度适中,涂层纤维的强度保留率较高。引入Py C界面相后,AS_f/Oxide复合材料的界面结合显著弱化,力学性能有所提升。TEM分析证实Py C界面相为乱层结构,且与纤维和基体的理化相容性较好。将Py C界面相氧化后,纤维与基体之间留下缝隙,形成牺牲碳（FC）界面相,载荷传递主要通过界面处的机械互锁和摩擦力来实现,纤维增韧机制可以有效发挥。缝隙宽度对复合材料的力学性能影响较大:当初始界面相沉积时间为3h时,1200℃制备的AS_f/FC/SiO2复合材料的力学性能最优,弯曲强度和弹性模量分别为106.4±6.7（MPa）和23.3±3.0（GPa）;当初始界面相沉积时间为3h时,1300℃制备的AS_f/FC/Al2O3-SiO2复合材料的力学性能最优,弯曲强度和弹性模量分别为100.9±7.2（MPa）和30.0±1.4（GPa）。研究了AS_f/FC/Oxide复合材料的高温力学性能,结果表明:1100℃时,AS_f/FC/SiO2复合材料的弯曲强度和弹性模量分别为106.5±15.8（MPa）和14.5±5.3（GPa）;1200℃时,AS_f/FC/

关键词： 新三板挂牌   碳化硅复合材料   碳化硅纤维   陶瓷基复合材料   陶瓷复合材料   逆变器   电子器件   战略性新兴产业   企业   企业管理   半导体材料   电工材料  

摘要： 今年我国外贸呈现总体下滑态势,需要积极拓展新兴市场空间,重塑产业与贸易竞争新优势,推动产业链和价值链向中高端攀升。在2015中国(合肥)战略性新兴产业发展高峰论坛上,部分企业就战略性新兴产业现状和对策等问题献言献策,从技术、市场、资金等方面深入探讨企业的生存发展之路。

关键词： Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料   40Cr钢   辅助脉冲电流   扩散焊   界面行为  

摘要： Ti(C,N)陶瓷基复合材料具有很高的硬度和耐磨性,兼具良好的抗氧化性及化学稳定性,作为刀具材料和高温结构材料应用前景广泛。其机加工性能差,难以制造复杂构件,与金属材料连接时接头存在较大的热应力,接头强度较低。辅助脉冲电流扩散连接通过电阻热效应产生界面高温,使陶瓷与钢等金属材料在基体低温状态形成致密结合,接头热应力大幅降低,接头强度显著提高。采用Cu-Ti非晶/Cu/Ag-Cu复合层对Ti(C,N)-Al2O3/40Cr进行了辅助脉冲电流扩散连接。结果表明,典型接头组织结构为:Ti(C,N)-Al2O3/Cu基固溶体+Cu4Ti+Cu3Ti2/Cu基固溶体+Cu4Ti3/Cu基固溶体/Cu/Fe基固溶体/40Cr钢。保温时间对接头界面的组织与性能有一定的影响,占空比对接头的组织与性能影响较大。在焊接温度为850℃、保温10min、脉冲占空比为12(on):2(off)条件下接头的四点弯曲强度最大,为236MPa。试验研究了Ti(C,N)-Al2O3/Cu53Zr47/Cu/Cu53Zr47/Ti(C,N)-Al2O3辅助脉冲电流扩散连接的接头界面行为与性能。结果表明,活性元素Zr对Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料有良好的润湿反应性能,热力学计算表明Zr扩散至Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料与其中的Al2O3发生置换反应,将Al原子的活性激发出来,增强了Al元素的扩散能力,并生成了ZrO2相;焊接温度为930℃、保温6min时接头四点弯曲强度最高,达432.8MPa。焊接温度过高将引起组织分层的增多,脆性化合物层变厚,接头抗弯强度降低;接头断裂失效主要是因为接头中存在较大的焊接残余应力与脆性化合物层,α-Zr相与CuZr2金属间化合物构成的组织为焊缝中的薄弱区域。通过对Ti(C,N)-Al2O3与40Cr进行以Ag-Cu-Ti/Cu/Ag-Cu及Ag-Cu-Zr/Cu/Ag-Cu为复合中间层的辅助脉冲电流扩散连接试验,重点分析研究元素行为、接头强度及工艺参数对接头强度的影响。结果表明:Zr元素表现出与采用Cu53Zr47非晶相似的扩散反应行为;焊接温度、保温时间与接头四点弯曲强度均遵循抛物线规律;采用Ag-Cu-Zr的焊接接头四点弯曲强度普遍高于采用Ag-Cu-Ti的接头强度,焊接温度为750℃、保温5min条件下采用Ag-Cu-Zr合金箔时接头抗弯强度最大,达275.1MPa。在焊接温度为850℃、保温10min条件下对Zr/Cu/Ti扩散偶进行了辅助脉冲电流扩散连接,获得了界面结合致密且扩散溶解层较厚的焊缝;在同样的焊接工艺参数下,扩散过渡层厚度Cu/Zr侧比Cu/Ti侧更大,说明Zr在Cu中的扩散能力比Ti更强。保温时间对Zr/Cu/Ti扩散偶界面行为的影响较大:保温时间较短时,元素扩散不充分,界面反应程度较低,因此界面的冶金结合不够致密,形成的扩散溶解层也较窄;延长保温时间,元素有足够的时间进行充分的扩散,并参与界面反应导致扩散溶解层厚度的增加。

关键词： 陶瓷基复合材料   CMC   陶瓷复合材料   尾喷口   飞行   航空运动   商业  

摘要： 法国赛峰集团设计的陶瓷基复合材料(CMC)尾喷口在2015年6月16日搭载在CFM56-5B发动机上完成了首次商业飞行。赛峰通过旗下两家公司Herakles和斯耐克玛设计、制造了该尾喷口验证件并进行了地面试验。在2012年于A320上执行了初始试验后,CMC尾喷口验证件于2015年4月22日

关键词： Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料   部分瞬间液相扩散焊   微观组织   力学性能  

摘要： Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料具有较高的红硬性、耐磨性以及抗氧化性,是制作高速切削刀具的理想材料。但它脆韧性及耐冲击性能较差,难以通过机械加工制成复杂零构件,从而制约了它的推广应用。因此,实现Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料的可靠连接,在工程上有着一定的应用价值。本课题分别采用Ti/Cu/Ti、Zr/Cu/Zr、Cu36Zr64对Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料进行连接,并使用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、万能试验机等分析测试手段对接头显微组织、元素分布及断口形貌等进行分析,研究了不同中间层材料和工艺参数对接头组织及力学性能的影响。对Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料采用Ti箔/Cu箔/Ti箔复合中间层进行部分瞬间液相扩散连接,研究发现:在焊接温度1050℃、保温15min的工艺参数下得到最大的抗弯强度,为207MPa,接头典型结构为Ti(C,N)-Al2O3/Ti3Al+Ti Al+Ti Al3+Ti2Ni+Ti O/Cu Ti+Cu4Ti3+Cu Ti2+Cu基固溶体/Cu箔,不同的工艺参数下得到的界面相结构也不同。接头断裂方式为陶瓷基体脆性断裂,扩散过渡区中形成的Ti Al3脆性化合物层显著降低接头的力学性能。Ti(C,N)-Al2O3/Zr/Cu/Zr/Ti(C,N)-Al2O3部分瞬间液相扩散连接。结果表明,Zr元素对陶瓷基复合材料有良好的润湿扩散性能,从而使接头形成扩散过渡区与Zr富集区。保温时间对连接接头的组织形态及力学性能有较大的影响,保温时间过短Zr向陶瓷内的扩散不充分,而过长的保温时间又会使Zr、Cu在界面反应生成大量脆性化合物,降低接头强度。焊接温度为1050℃,保温15min时可以得到四点弯曲强度最高、界面结合致密、组织均匀的焊接接头。采用Cu36Zr64非晶钎料真空钎焊Ti(C,N)-Al2O3陶瓷基复合材料,结果表明,Cu元素向陶瓷基复合材料内的扩散趋势强烈,而Zr元素的活性受到抑制。在焊接温度为1000℃,保温15min,1MPa的工艺参数下获得四点弯曲强度最高的连接接头,接头界面组织结构为Ti(C,N)-Al2O3/α-(Ti,Zr)+Cu2Ti Zr/Cu Zr2+(α-Zr)/Cu固溶体/Cu。接头主要断裂方式为混合型断裂,较大的残余应力与Cu2Ti Zr、Cu Zr2在连接界面的大量富集成为断裂的主要原因。

关键词： 先驱体浸渍-裂解工艺   热模压   SiOC陶瓷   陶瓷基复合材料   力学性能   抗氧化性能  

摘要： 在一次性使用的战术导弹和民用领域,迫切需要制备可以大幅度缩短制备周期,降低制备成本的复合材料体系。本文针对其应用需求,采用三种不同的先驱体,通过热模压-PIP法制备了C/SiOC复合材料。研究了先驱体质量浓度、热模压工艺、纤维体积分数和界面PyC涂层对复合材料的性能影响,考察了复合材料的高温力学性能和抗氧化性能。研究了1053树脂和1040树脂的裂解特性,系统分析在不同温度下裂解产物的结构物相和组成,研究两类硅树脂裂解产物的微观结构以及随裂解温度的演化规律,以及通过裂解特性来制定模压定型和裂解工艺参数。1053树脂和1040树脂在1200℃陶瓷产率分别为74.8%和81.1%,其裂解产物主要为无定形的SiO2和自由碳,在1400℃以下,仍能较好的保持稳定。当温度进一步提高时,相结构发生变化生成β-SiC相。研究了热模压工艺、先驱体浓度对1053树脂制备C/SiOC复合材料性能的影响。采用热模压工艺后,其弯曲强度提高到260MPa,拉伸强度达到212MPa,剪切强度提高到17.6MPa,密度相应地提高到1.65g/cm3,材料性能有大幅度提高。当先驱体质量浓度为40%时,其弯曲强度和剪切强度为265MPa和24.2MPa,断裂韧性9.7MPa·m1/2,40wt%先驱体溶液制备复合材料综合性能好于50wt%。研究了纤维体积分数和PyC界面涂层对1053树脂制备复合材料性能的影响。随着纤维体积分数提高,密度基本保持一致,拉伸强度随之增加,弯曲强度先逐渐增大后减少,纤维体积分数为51.48%时性能最好。CVD PyC界面涂层改性后,弯曲强度和剪切强度都有较大幅度的提高,断裂韧性则有所增加。弯曲性能从260MPa提高296 MPa,剪切强度从17.4MPa提高到25.9 MPa。随着CVD时间的增长,其性能增幅不明显。研究了热模压工艺、纤维体积分数和PyC界面涂层对202硅油制备C/SiOC复合材料性能的影响。采用热模压工艺后,复合材料密度有所降低,从1.83g/cm3降到1.78g/cm3,弯曲强度增幅较小,其值为341MPa。断裂韧性增幅较大,提高到16MPa·m1/2,而拉伸强度和层间剪切强度均出现下降现象。由于裂解过程中材料发生膨胀,,纤维体积分数不可控,基本维持在50%以下,呈脆性断裂模式。随着纤维体积分数的提高,弯曲强度、剪切强度和拉伸强度先增加后减少,断裂韧性则减小后增加。纤维体积分数为36.5%复合材料性能最好,其拉伸强度和弯曲强度分别为191MPa和358MPa。研究了PyC界面涂层对复合材料的影响,当CVD沉积时间分别为5、10小时时,复合材料弯曲强度分别为254MPa和223MPa,拉伸强度分别为93.3 MPa和89.0MPa。研究了PyC界面涂层对1040树脂制备C/SiOC复合材料的影响。以1040树脂为先驱体,采用热模压工艺制备C/SiOC复合材料,通过采用前期的优化工艺,复合材料拉伸强度为216MPa,弯曲强度为296MPa,剪切强度值为22.5MPa,断裂韧性在21.1MPa·m1/2。随着界面涂层厚度的提高,弯曲强度,拉伸强度和断裂韧性均有所提高,剪切强度则出现下滑,与无涂层的复合材料相比,拉伸强度,弯曲强度和断裂韧性均有下降,剪切强度则有所提高。研究了1053树脂,202硅油和1040树脂作为先驱体制备的C/SiOC复合材料在1200℃的高温弯曲性能和抗氧化性能。复合材料的高温弯曲强度分别为125MPa,117MPa,76.7MPa。静态氧化后,202硅油和1053树脂所制备的不同纤维体积分数C/SiOC复合材料失重率较小,平均失重率分别为21.7%和21.6%,具有纤维界面PyC涂层的C/SiOC复合材料抗氧化性能均优于无界面涂层的复合材料,研究了石英灯加热条件下三种先驱体制备的C/SiOC复合材料的动态氧化性能,202硅油的失重率最小,为5.1%。1053树脂失重率最大,为7.4%。1040树脂的抗氧化性能最好,弯曲强度和模量保留率分别为76.6%和73.4%。