摘 要:以SiC粉、碳纤维为原料,采用热压烧结工艺制备了 C/SiC复合材料,结合正交试验和 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强度的影响。结 果表明:碳纤维含量对 C/SiC复合材料体积密度的影响最大,烧结温度次之,烧结压力最小;烧结 温度对抗弯强度的影响最大,碳纤维含量次之,烧结压力最小;当烧结压力为25 MPa、碳纤维体积 分数为30%、烧结温度为2100 ℃时,复合材料的综合性能最优,其体积密度为2.30g·cm-3,抗弯 强度为80.50MPa。烧结工艺与碳纤维含量的变化通过影响SiC的烧结程度及碳纤维与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复合材料;热压烧结;碳纤维含量;体积密度;抗弯强度
中图分类号:TQ174 文献标志码:A 文章编号: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、弹性模量 大、热膨胀系数低等优异性能,是目前最有前途的高温用结构材料之一[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,这2种方法制备得到 的复合材料基体纯度高,组织和成分可控,但制备周 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 复合材料的报道较 少。为此,作者采用热压烧结工艺,结合正交试验 法[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粉,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。以酚醛树脂作为黏结 剂,将SiC粉与体积分数分别为25%,30%,35%的 短切碳纤维混合均匀,采用热压铸工艺进行预成型, 预成型压力为10 MPa,温度为180 ℃;然后将试样 放入热压烧结炉中,以碳化硼作为烧结助剂,在高纯 氩气环境中分别在2000,2050,2100 ℃烧结温度 下进行烧结,烧结时间为1h,烧结压力分别为20, 25,30 MPa,制 备 得 到 C/SiC 复 合 材 料。 设 计 L9(33)正交试验表进行热压烧结试验,因素水平如 表1所示。
采用阿基米德排水法测定 C/SiC 复合材料的 体积密度。采用SIGMA300型扫描电镜(SEM)观 察 C/SiC复合材料的微观结构,并用其附带的能谱 仪(EDS)进行微区成分分析。按照 GB/T38978— 2020,采用 WDW-20型万能试验机对C/SiC复合材 料进行三点弯曲试验,试样尺寸为3mm×4mm× 36 mm,跨 距 为 30 mm,下 压 速 度 为 0.5mm· min-1,同时测定复合材料的载荷-位移曲线。采用 XRD-7000S/L 型 X 射线衍射仪(XRD)对复合材料 的物相组成进行分析,采用铜靶,Kα 射线,加速电 压为 40kV,电流为 50mA,扫描范围2θ为10°~ 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 维体积分数对复合材料体积密度的影响按从大到小 的顺序为碳纤维体积分数、烧结温度、烧结压力。碳 纤维体积分数是影响 C/SiC 复合材料体积密度的 主要因素,当碳纤维含量增加时,复合材料的体积密 度呈下降趋势,这主要是由于碳纤维密度较低,且碳 纤维的桥接和聚集在一定程度上会阻碍基体的致密 化[9]。3种因素对复合材料抗弯强度的影响按从大 到小的顺序为烧结温度、碳纤维体积分数、烧结压 力。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 基 体致密化及基体与纤维间的界面结合。
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 ℃,烧结压力25 MPa不变,研究不同碳纤维 含量 C/SiC复合材料的体积密度和抗弯强度变化 情况。由图1可知,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%时,体积密度与抗弯强度的变 化程度较大,当碳纤维体积分数超过30%后,体积 密度与抗弯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,大量碳纤维的加入造成材 料密度降低;另一方面,随着碳纤维含量的增加,纤 维之间的聚集效应提高,纤维的聚集会阻碍 SiC 基 体的致密化,因此随着碳纤维含量的增加,复合材料 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 时,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%后,这种 增强作用趋于缓和,其原因在于大量碳纤维的加入 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 数25%,烧结压力25MPa不变,研究不同烧结温度 下 C/SiC复合材料的体积密度和抗弯强度的变化 情况。由图2可知,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,并均在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,影 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,因 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:一 方面烧结温度的提高能够促进 SiC 基体的烧结,基 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,烧结时晶界 处的晶界能降低,SiC 与碳纤维之间的物质传递加 剧,在界面处硅开始渗入碳纤维表面(如图3所示), 导致SiC基体与碳纤维之间界面结合强度增加,碳 纤维与 基 体 之 间 传 递 应 力 的 能 力 加 强,从 而 使 C/SiC复 合 材 料 中 出 现 裂 纹 所 需 的 极 限 应 力 提 高[12]。综上,烧结温度选取2100 ℃较合适。
2.4 烧结压力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压力对复合材 料体积密度和抗弯强度的影响,保持碳纤维体积分 数30%,烧结温度2000℃不变,研究不同烧结压力 下 C/SiC复合材料的体积密度和抗弯强度变化情 况。由图4可以看出,当烧结压力由20MPa增加 到25 MPa时,复合材料的体积密度和抗弯强度均 明显增大,但当烧结压力超过25 MPa后,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限。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,碳 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 密,可能会导致界面处SiC向碳纤维渗透加剧,对碳 纤维造成损伤,使碳纤维易发生脆性断裂导致碳纤 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 知,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复合材料性能最优的制备工艺参数为烧结压力 25MPa,碳纤维体积分数30%,烧结温度2100 ℃。 采用该工艺制备得到的 C/SiC 复合材料体积密度 为2.30g·cm-3,抗弯强度为80.50MPa。由图5可 以看出,优化工艺下制备的 C/SiC复合材料的物相 由SiC与碳组成,未检测到其他物相的存在。
由图6可以看出:优化工艺下制备的 C/SiC 复 合材料中碳纤维与 SiC 基体结合较紧密,纤维束排 列十分整齐,且SiC基体烧结得非常致密;碳纤维中 渗入的SiC含量较少,SiC 与碳纤维的界面结合强 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 复合材料在压力达到屈服点后,载荷并未发生大幅下 降,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)碳纤维含量对 C/SiC复合材料体积密度的 影响最大,烧结温度次之,烧结压力最小。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%时,体积密度与抗弯强度的变化幅 度较大,当碳纤维体积分数超过30%后,二者的变 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时,复合材料的体积密度和抗弯强 度均明显增大,但当烧结压力超过25 MPa后,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,抗弯强 度为80.50MPa。烧结工艺与碳纤维含量的变化会 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。
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