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分享:热压烧结工艺以及碳纤维含量对C/SiC复合材料 性能的影响

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浏览:- 发布日期:2022-09-13 15:14:58【

摘 要:SiC碳纤维为原料,采用热压烧结工艺制备了 C/SiC复合材料,交试单因素试验研究了烧结压力烧结温度和碳纤维含量对复合材料体积密度与抗弯的影果表明:碳纤维含量对 C/SiC,,;温度对抗弯强度的影响最大,碳纤,;25 MPa分数为30%烧结温2100 ,,2.30g·cm-3,强度为80.50MPa结工SiC及碳维与SiC基体 的界面结合强度来影响复合材料的性能

关键词:C/SiC;;;;度 

中图分类:TQ174 志码:A 章编:1000-3738(2022)06-0044-05

0 引 言 

近年来,随着飞行器飞行速度的提高,其表面与 大气层摩擦所产生的热量(气动热)增加,可能会导 致飞行器飞行时表面材料产生烧蚀乃至熔化,从而 对飞行器的飞行安全造成极大威胁[1]为减轻气动 热对飞行器飞行时产生的不良影响,需要对其表面 进行防热处理传统防热材料一般是镍基金属与酚 醛树脂基材料,但这些材料的熔点不是很高,其防热 性能无法满足高速飞行器的防热需求[2]

C/SiC复合材料具有熔点高硬度高热膨胀系数低等优异性能,是目前最有温用结构材料之一[3],成为各国学者研究的重点目前,制备 C/SiC复合材料的主要方法为化学气相 沉积法和先驱体浸渍裂解法,2种方法制备的复合材料基体纯度高,组织和成分可控,备周 期极长成本高[4-5],难以满足批量化生产的需求热压烧结工艺相对简单,所得陶瓷材料的致密度高, 力学性能优异,在制备高性能陶瓷复合材料方面具 有显著优势[6],但该工艺无法制备形状复杂的工件, 且高温高压对于碳纤维性能有较大的影响[7],目前 关于热压烧结工艺制备 C/SiC 复合道较 为此,作者采用热压烧结工艺,[8]和单因素试验系统研究了该工艺中烧结温度烧结压力以及碳纤维含量对 C/SiC 复合材料体积 密度与抗弯强度的影响,以期为热压烧结工艺制备 C/SiC复合材料提供一定的理论依据

1 试样制备与试验方法 

试验材料包括:商用碳化硅SiC,平均粒径为 2μm,纯 度 为 99.5%;T300 短 切 碳 纤 维,长 度 为 6mm,密度为1.7g·cm-3,SiC粉与25%,30%,35%短切碳纤维混合均匀,, 预成型压力为10 MPa,180 ;放入热压烧结炉中,作为,氩气环境中分别在2000,2050,2100 下进行烧结,烧结时间1h,20, 25,30 MPa,C/SiC L9(33)验表压烧结试验,1所示


采用阿基米C/SiC 体积密度采用SIGMA300电镜(SEM)C/SiC复合材观结,(EDS)进行微区按照 GB/T389782020,WDW-20型万能试验机对C/SiC料进行三点弯曲试验,试样尺寸为3mm×4m36 mm,跨 距 为 30 mm,下 压 速 度 为 0.5mm· min-1,同时测-曲线XRD-7000S/L X 线(XRD)复合材料 的物,,Kα 线,40kV,50mA,2θ10°~ 90°,扫描速率为 10(°min-1


2 试验结果与讨论

2.1 正交试验结果

由表2可以看出,烧结压力烧结温度以及碳纤 积分数对复合响按大到的顺为碳纤维压力纤维体积分数是影响 C/SiC 复合材料体积密度的 主要因素,当碳纤含量,度呈下降趋势,主要于碳,纤维的桥接和聚集在一定程度上会阻碍基体的致密 [9]3种因素对复合材料抗弯强度的影响到小的顺序为烧结温度碳纤维体积分数烧结温度对 C/SiC 复合材料的抗弯强度影响 最大,这主要是因为烧结温度的升高促进了 SiC 体致密化及基


2.2 碳纤维含量对体积密度和抗弯强度的影响 

通过单因素试验进一步验证碳纤维含量对复合 材料体积 密 度 和 抗 弯 强 度 的 影 响,保 持 烧 结 温 度 2050 ,25 MPa,C/SiC1,,的体,,数从25%30%,与抗程度,30%,密度与抗强度的变化趋于平缓碳纤维对复合材料密度的影响主要体现在2个方面:一方面碳纤维 的密度低于SiC的密度,料密度降低;另一方面,,维之间的聚集效应提高,纤维的聚集会阻碍 SiC 体的致密化,因此随着碳纤维含量的增加,复合材的体积密度呈减小趋势碳纤维的引入可以对材料 起到增强的作用当裂纹扩展到基体与纤维界面 ,裂纹会沿着纤维发生偏转,断裂需要消耗更多的 能量,因此随着碳纤维含量的增加,复合材料的抗弯 强度提高[10];当碳纤维体积分数超过30%,增强作用趋于缓和,其原因在于大量碳纤使碳纤维间的桥联与聚集效应增强,导致基体不能 很好包裹纤维或者填充纤维间的空隙,影响基体传 递载荷的效果和纤维增强效果综上可知,碳纤维 体积分数选择30%较合适。 


2.3 烧结温度对体积密度和抗弯强度的影响 

通过单因素试验进一步验证烧结温度对复合材 料体积密度和抗弯强度的影响,保持碳纤维体积分 25%,烧结压力25MPa不变,研究不同烧结温度 C/SiC复合情况由图2,度均随着烧结温度的升高而提高,2100 时达到最大值烧结温度主要是通过影响SiC基体 的烧结致密化程度及 SiC 基体与碳纤维的结合,响复合材料的体积密度与抗弯强度[11]烧结温度 升高能促进烧结助剂与 SiC 基体的固溶,加快晶粒 间的物质传质速率,从而使材料致密化程度提高,此体积密度随着烧结温度的升高而增大烧结温度 的升高对抗弯强度的影响主要体现在2个方面:方面烧结温度的提高能够促进 SiC 基体的烧结,体中的缺陷显著减少,有助于复合材料抗弯强度的提高;另一方面,随着烧结温度的升高,,SiC 与碳纤维之间的物,开始渗入碳纤维表面(3), 导致SiC之间,维与 ,而 使 C/SiC复 合 材 料 中 出 现 裂 力 提 [12]综上,烧结温度选2100


2.4 烧结

通过料体积密度和抗弯强度的影响,保持碳纤维体积分 30%,烧结温度2000不变,研究不同烧结压力 C/SiC复合由图4,20MPa25 MPa,明显增大,但当烧结压力超过25 MPa,体积密度 和抗弯强度的增加趋势变缓,说明再进一步增大烧 结压力对复合材料体积密度和抗弯强度的提升有当烧结压力增大到一定程度时,基体间的空隙 已经基本被填满,再增大烧结压力对晶粒间物质扩 散动力的提高有限[13],因此继续增大烧结压力对体 积密度的提升有限随着烧结压力的增大,烧结时 物质扩散动力增大,基体晶粒之间的晶界能降低,纤维与SiC基体的结合力增加,断裂时裂纹扩展所 需能量增加,从而提高了复合材料的抗弯强度;但是 当烧结压力过高时,碳纤维和 SiC 基体结合过于紧 ,可能会导致界面处SiC,对碳 纤维造成损伤,使碳纤维维增强失效,从而降低了碳纤维的强化作用,进而影 响抗弯强度的提升[14]根据正交试验结果分析可 ,烧结压力对 C/SiC复合材料的体积密度及抗弯 强度的 影 响 程 度 均 较 小,过 度 提 高 烧 结 压 力 对 C/SiC复合材料性能的提升帮助不大,综上,烧结压 力选取25MPa较合适


2.5 优化工艺下复合材料的微观结构

综合正交试验以及单因素试验的结果确定 C/ SiC复合25MPa,30%,2100 采用该工艺制备得到的 C/SiC 复合材料2.30g·cm-3,80.50MPa5以看出,C/SiC复合材料的物相 SiC与碳组成,未检测

由图6可以看出:C/SiC 合材料中碳纤维与 SiC 基体结合较紧密,列十分整齐,SiC基体烧;渗入的SiC含量较少,SiC 界面结合强 度适中,从而使复合材料具有较高的抗弯强度


由图7可以看出:优化工艺下制备的 C/SiC 合材料在压力达到屈服点后,载荷并未发生大幅下 ,而是以锯齿状的曲线形式缓缓下降,说明其断裂 方式呈假塑性断裂,而不再是陶瓷材料的脆性断裂, 这与文献[15]中报道的结果相吻合,这是由裂纹扩 展时遇到材料内的纤维束而发生纤维的脱粘拔出 及层间断裂所致。 

3 结 论

(1)C/SiC影响最,,烧结温度 对复合材料抗弯强度的影响最大,碳纤维含量次之, 烧结压力最小

(2)随着碳纤维含量的提高,复合材料的体积 密度减 小,抗 弯 强 度 提 高,当 碳 纤 维 体 积 分 数 从 25%增加到30%,积密变化度较大,当碳纤维体积30%,的变 化趋于平缓;复合材料的体积密度和抗弯强度均随 着烧结温度的升高而提高;当烧结压力由20 MPa 增加到25 MPa,体积度均明显增大,但当烧25 MPa,二者 的增大趋势变缓

(3)复合材料性能最优的制备工艺为烧结压力 25MPa,碳纤维体积分数30%,烧结温度2100 , 所得复合材料的体积密度为2.30g·cm-3,度为80.50MPa烧结工艺与碳纤维含量化会 影响SiC的烧结程度及碳纤维与SiC基体的界面结 合强度,从而影响 C/SiC复合材料的性能

参考文献:

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