碳纖維熱處理對(duì)C-SiC基復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)及性能影響的研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)碳-碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(C/C-SiC)由于輕質(zhì)、耐高溫、抗氧化以及優(yōu)異的高溫?zé)崃W(xué)和微觀組織穩(wěn)定性，在航空航天、高性能制動(dòng)和先進(jìn)能源的熱交換系統(tǒng)等現(xiàn)代高溫技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。由于不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)υ擃惒牧系男阅芤笥兴煌虼藶榱四軌驖M足不同服役環(huán)境對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能的需求，需要對(duì)該類復(fù)合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，來(lái)滿足特定服役環(huán)境下的性能需求。
　　目前，對(duì)于C/C-SiC復(fù)合材料的制備工藝主要有氣相

2、和液相路線，包括化學(xué)氣相滲透法(Chemical Vapor Infiltration:CVI)、聚合物浸漬裂解法(Polymer Infiltration Pyrolysis:PIP)和液硅熔滲法(Liquid Silicon Infiltration:LSI)以及混合工藝。在這些制備工藝中，液硅熔滲法由于工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、制備周期短、成本低、近凈成型、易于工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。
　　因此，本論文采用液硅熔滲

3、法，通過(guò)該工藝微結(jié)構(gòu)調(diào)控的內(nèi)在機(jī)理，采取纖維高溫?zé)崽幚矸ǎ瑥亩M(jìn)行C/C-SiC復(fù)合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)調(diào)控，制備了不同組相成分、形態(tài)分布以及相對(duì)含量的C/C-SiC復(fù)合材料，改善了該類材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性和高溫組織穩(wěn)定性，闡釋了纖維熱處理對(duì)該類材料微觀組織結(jié)構(gòu)及性能影響的內(nèi)在機(jī)制，建立了材料制備工藝、微觀組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論概括如下:
　　首先，采用高溫?zé)崽幚矸▽?duì)增強(qiáng)相纖維進(jìn)行處理，建立了高溫?zé)崽幚韺?duì)纖維質(zhì)量變

4、化、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及表面活性的影響關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)T300碳纖維具有優(yōu)異的高溫組織穩(wěn)定性和熱力學(xué)性能，同時(shí)高溫?zé)崽幚硎沟美w維條紋狀結(jié)構(gòu)明顯，石墨化程度提高，另外當(dāng)熱處理溫度超過(guò)600℃時(shí)，纖維表面含氧官能團(tuán)相對(duì)含量減少，表面活性降低。
　　接下來(lái)，采取樹脂傳遞模塑工藝(Resin Transfer Molding:RTM)制備了碳纖維增強(qiáng)樹脂基素坯體（CFRP），觀察分析了碳纖維熱處理溫度對(duì)CFRP素坯體微觀組織形貌的影響，同

5、時(shí)將宏-細(xì)觀測(cè)試方式結(jié)合，通過(guò)采取單纖維頂出法和短梁彎曲法，表征了素坯體中纖維-基體界面結(jié)合強(qiáng)度（Fiber-Matrix Interface Bonding Strength:FMB）。研究發(fā)現(xiàn)纖維熱處理對(duì)于素坯體中纖維-基體界面結(jié)合強(qiáng)度有著顯著的影響。低溫處理(≤600℃)的纖維-樹脂基體的界面結(jié)合強(qiáng)度較高，而更高溫度熱處理纖維-樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度降低，同時(shí)在這種弱界面結(jié)合處出現(xiàn)微裂紋。另一方面，單纖維項(xiàng)出法和短梁彎曲法測(cè)試值的變化

6、規(guī)律相同，但是短梁彎曲測(cè)試值低于單纖維頂出測(cè)試值，這是由于宏觀材料發(fā)生多層層間斷裂所致。
　　進(jìn)一步，對(duì)不同溫度熱處理纖維制備的CFRP素坯體進(jìn)行高溫裂解，裂解結(jié)束后獲得不同微結(jié)構(gòu)模式的C/C多孔體。結(jié)合裂解過(guò)程中的熱失重曲線分析了CFRP素坯體的高溫裂解過(guò)程，發(fā)現(xiàn)碳纖維熱處理對(duì)于C/C多孔體中的孔隙尺寸、分布和密度具有重要的影響。對(duì)于低溫處理纖維制備的C/C多孔體，其孔隙密度低且寬度較大，分布較為規(guī)律;對(duì)于高溫?zé)崽幚砝w維制備的多

7、孔體，其孔隙分布變得均勻，密度提高。
　　最后，將不同微結(jié)構(gòu)模式的C/C多孔體進(jìn)行液相硅熔滲，制備了不同微觀組織結(jié)構(gòu)的C/C-SiC復(fù)合材料，觀察分析了材料中不同組相的分布形態(tài)和相對(duì)含量;通過(guò)不同力學(xué)性能測(cè)試手段測(cè)試表征了C/C-SiC復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性、斷裂功等結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性行為;采取靜態(tài)空氣氧化法和氧乙炔焰測(cè)試了材料的抗氧化和抗燒蝕性能，以此表征了C/C-SiC復(fù)合材料的高溫組織穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)低溫處理纖維