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文檔簡介
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)陶瓷具有獨特的價鍵結(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制。因此,將MAX相陶瓷引入到致密
3、C/SiC中有望實現(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,主要研究內(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的生成機理。實驗結(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C/C-SiC微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和摩擦磨損性能的影響。實驗結(jié)果表明,Ti3SiC2的引入取代了殘余Si,能夠?qū)崿F(xiàn)基體的強韌化;Si本身會造成C/C-SiC剎車過程的不穩(wěn)定性和高磨損率,而Ti3SiC2高溫下氧化會生成自潤滑氧化物,進(jìn)而形成自潤滑磨屑。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。實驗結(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)部的擴展,從而在基體致密化的同時減少殘余熱應(yīng)力對于基體的損傷。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
7、度和熱擴散系數(shù)。
在1000~1200℃空氣環(huán)境中,表面SiC涂層的裂紋會被氧化生成的SiO2愈合,同時C/SiC-Ti3SiC2基體內(nèi)部的裂紋會被Ti3SiC2的氧化產(chǎn)物填充,堵塞氧氣向內(nèi)擴散的通道,故氧化10h后C/SiC-Ti3SiC2的剩余強度均在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,C/SiC-Ti3SiC2表面會形成大量氧化物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。實驗結(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。同時,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
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