Ti3SiC2改性C-SiC復(fù)合材料的性能研究.pdf

1、碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced silicon carbide matrix composites，C/SiC）和碳纖維增韌碳/碳化硅雙基復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced carbon/silicon carbide binary matrix composites，C/C-SiC）具有低密度、高強(qiáng)度、耐高溫、抗氧化等優(yōu)異性能，故其在熱防護(hù)領(lǐng)域和剎車領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前

2、景。相比于多孔C/SiC，致密C/SiC基體的內(nèi)部孔洞少，有助于材料表現(xiàn)出更好的環(huán)境使用效能，但致密C/SiC強(qiáng)韌性不足。
　　MAX相（Mn+1AXn phase，式中n=1、2或3；M為過渡族金屬元素，A為IIIA族或IVA族元素，X為碳或氮元素）陶瓷具有獨(dú)特的價(jià)鍵結(jié)合和納米層狀結(jié)構(gòu)，使其既能像陶瓷一樣具有良好的抗氧化性能和力學(xué)性能，又能發(fā)生類似金屬的塑性變形從而具有高的損傷容限和豐富的增韌機(jī)制。因此，將MAX相陶瓷引入到致密

3、C/SiC中有望實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能和環(huán)境使用效能的協(xié)同提高。迄今為止，對(duì)于MAX相與C/SiC結(jié)合所制備材料的性能尚缺乏系統(tǒng)研究。
　　Ti3SiC2是MAX相陶瓷的典型代表。本論文采用漿料浸滲結(jié)合熔體滲透分別制備了C/C-SiC-Ti3SiC2、C/SiC-Ti3SiC2和C/SiC-Ti3Si(Al)C2復(fù)合材料，在研究其微結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為的基礎(chǔ)上對(duì)改性復(fù)合材料的摩擦磨損性能、抗氧化性能和抗燒蝕性能進(jìn)行了深入研究，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如

4、下。
　　1)研究了熔體滲透（Reactive melt infiltration，RMI）過程中Ti3SiC2和Ti3Si(Al)C2的生成機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液硅滲透過程中，TiC預(yù)制體中必須有足量的碳才能夠保證Ti3SiC2的生成；碳能夠同TiSi2反應(yīng)生成具有較多碳空位的TiC晶粒，從而促使TiC孿晶的形成并析出Ti3SiC2。Al-Si合金滲透過程中，Al能夠降低TiC晶粒間的孿晶邊界能，促使TiC孿晶的形成從而析出Ti

5、3SiC2，進(jìn)而部分Al能夠固溶進(jìn)入Ti3SiC2的晶格形成Ti3Si(Al)C2.
　　2)研究了Ti3SiC2的引入對(duì)C/C-SiC微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和摩擦磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ti3SiC2的引入取代了殘余Si，能夠?qū)崿F(xiàn)基體的強(qiáng)韌化；Si本身會(huì)造成C/C-SiC剎車過程的不穩(wěn)定性和高磨損率，而Ti3SiC2高溫下氧化會(huì)生成自潤(rùn)滑氧化物，進(jìn)而形成自潤(rùn)滑磨屑。因此，與C/C-SiC相比，C/C-SiC-Ti3SiC2不僅具

6、有高的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，而且表現(xiàn)出高的剎車穩(wěn)定性和低的磨損率。
　　3)研究了Ti3SiC2的引入對(duì)C/SiC微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱物理性能、抗氧化性能和抗燒蝕性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ti3SiC2的引入提高了基體的損傷容限，能夠有效抑制裂紋在C/SiC-Ti3SiC2基體內(nèi)部的擴(kuò)展，從而在基體致密化的同時(shí)減少殘余熱應(yīng)力對(duì)于基體的損傷。因此，與C/SiC和C/SiC-Si相比，C/SiC-Ti3SiC2表現(xiàn)出高的模量、層間剪切強(qiáng)

7、度和熱擴(kuò)散系數(shù)。
　　在1000~1200℃空氣環(huán)境中，表面SiC涂層的裂紋會(huì)被氧化生成的SiO2愈合，同時(shí)C/SiC-Ti3SiC2基體內(nèi)部的裂紋會(huì)被Ti3SiC2的氧化產(chǎn)物填充，堵塞氧氣向內(nèi)擴(kuò)散的通道，故氧化10h后C/SiC-Ti3SiC2的剩余強(qiáng)度均在90％以上，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性能。在氧乙炔焰下考核時(shí)，C/SiC-Ti3SiC2表面會(huì)形成大量氧化物TiO2和SiO2覆蓋表面，從而形成氧化膜阻擋氧氣向內(nèi)擴(kuò)散并緩沖氣流的沖

8、刷作用，使得C/SiC-Ti3SiC2表現(xiàn)出好的超高溫抗燒蝕性能。
　　4)研究了Al-Si合金滲透制備 Ti3Si(Al)C2改性 C/SiC復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Al-Si合金滲透工藝的基體致密化溫度為1300℃，低于液硅滲透工藝的基體致密化溫度，有利于降低所制備復(fù)合材料內(nèi)部的殘余熱應(yīng)力。C/SiC-Ti3Si(Al)C2內(nèi)部Ti3Si(Al)C2的含量要明顯高于C/SiC-Ti3SiC2內(nèi)部Ti3SiC2

9、的含量，能夠進(jìn)一步提高基體的損傷容限。C/SiC-Ti3Si(Al)C2的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到556±33MPa和21.6±0.9MPa·m1/2，明顯高于C/C-SiC-Ti3SiC2和C/SiC-Ti3SiC2的性能，均已達(dá)到甚至超過CVI所制備C/SiC的性能水平，顯示出低溫致密化工藝制備MAX相陶瓷改性C/SiC復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，采用低溫致密化工藝將MAX相陶瓷引入到Al2O3纖維和SiC纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)部，可