氣相滲硅制備三維針刺C-C-SiC復(fù)合材料工藝與性能研究.pdf

1、C/C-SiC復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹性能以及優(yōu)良的摩擦磨損性能，在航天熱結(jié)構(gòu)件、空間光機(jī)結(jié)構(gòu)件和高性能剎車裝置等領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。GSI（氣相滲硅，Gaseous Silicon Infiltration）作為新近發(fā)展起來(lái)的制備C/C-SiC復(fù)合材料的新方法，具有制備周期短、成本低、致密性好等優(yōu)點(diǎn)。相比于研究較多的LSI（液相滲硅，LiquidSilicon Infiltration），GSI工藝滲透深度

2、更深，且反應(yīng)溫和，易于控制，制品殘留硅少，有望制備出性價(jià)比更高的C/C-SiC復(fù)合材料，但是目前的研究相對(duì)較少。此外，在GSI制備C/C-SiC復(fù)合材料中，對(duì)于CVI C/C素坯密度、纖維體積分?jǐn)?shù)以及不同先驅(qū)體裂解C/C素坯對(duì)制備的C/C-SiC復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響研究還不系統(tǒng)，不利于面向不同應(yīng)用時(shí)的選材需要，有待對(duì)材料的性能數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)一步完善，因此本文展開了GSI工藝對(duì)制備三維針刺C/C-SiC復(fù)合材料工藝與性能的研究。
　　

3、研究了CVI C/C素坯密度以及纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)GSI制備C/C-SiC復(fù)合材料物相組成、微觀結(jié)構(gòu)以及性能的影響。對(duì)于纖維體積為30vol.％的CVI C/C素坯，素坯密度在0.822g/cm3～1.363g/cm3間，隨著CVI C/C素坯密度提高，即CVI C層厚度增加，C/C-SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能先增高后減小。當(dāng)CVI C/C素坯密度為1.085g/cm3時(shí)，材料的彎曲強(qiáng)度、模量以及斷裂韌性最高，分別為308.31MPa、31.

4、71GPa和11.36MPa·m1/2。CVI C/C素坯密度過(guò)小時(shí)，GSI過(guò)程中纖維硅蝕嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了C/C-SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能，如當(dāng)素坯密度為0.822g/cm3時(shí)，C/C-SiC復(fù)合材料的含碳量?jī)H為18vol.%，大量纖維與硅反應(yīng)，彎曲強(qiáng)度、模量及斷裂韌性僅為70.2MPa、14.1GPa及3.4MPa·m1/2；但是CVI C/C素坯密度過(guò)大時(shí)，GSI過(guò)程中滲硅通道很容易阻塞，硅、碳反應(yīng)不充分，使得GSI制備的C/C-S

5、iC復(fù)合材料閉孔顯著增多，力學(xué)性能也會(huì)明顯降低，如當(dāng)素坯密度為1.363g/cm3時(shí)，C/C-SiC復(fù)合材料的閉孔率高達(dá)10.7vol.%，彎曲強(qiáng)度、模量及斷裂韌性為119MPa、16.1GPa及4.4MPa·m1/2。此外材料的熱導(dǎo)率以及熱膨脹性能均隨素坯密度的增大而減小。
　　當(dāng)CVI C/C素坯密度均約在1.0g/cm3～1.1g/cm3范圍時(shí)，纖維體積分?jǐn)?shù)在10vol.%～30vol.%間，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，材料的力

6、學(xué)性能隨之提高，而熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)差別不大。當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為10vol.%時(shí)，由于纖維對(duì)復(fù)合材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用小，導(dǎo)致力學(xué)性能最低，彎曲強(qiáng)度、模量及斷裂韌性分別為154.7MPa、14.6GPa及5.7MPa·m1/2，而熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)均最高，分別為31.857W/(mK)和4.475310-6/K。此外研究發(fā)現(xiàn)材料的SiC形貌包括C-SiC界面的納米級(jí)SiC晶粒和遠(yuǎn)離碳源的SiC-Si界面的微米級(jí)SiC顆粒，材料內(nèi)部的閉孔包括纖

7、維束內(nèi)部的小孔和胎網(wǎng)層間的大孔，而GSI過(guò)程中整個(gè)Si、C反應(yīng)層厚度約為5μm。
　　為了進(jìn)一步快速低成本制備C/C素坯，并保護(hù)碳纖維，研究了裂解C/C素坯中CVD C涂層厚度對(duì)GSI制備C/C-SiC復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。從中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)CVD C涂層較?。s200nm）時(shí)，纖維硅蝕嚴(yán)重，而當(dāng)CVD C涂層過(guò)厚（約2μm）時(shí)，裂解C/C素坯密度過(guò)高，不利于GSI反應(yīng)。結(jié)果表明對(duì)于纖維體積分?jǐn)?shù)為30vol.%的三維針刺氈，當(dāng)CVD

8、 C涂層厚度約為1μm，裂解C/C素坯密度約為1.1g/cm3時(shí)更利于GSI反應(yīng)，得到的C/C-SiC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最高，為279.3MPa。
　　最后研究了素坯中不同先驅(qū)體裂解C/C素坯對(duì)GSI制備C/C-SiC復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及性能的影響。酚醛樹脂以及呋喃樹脂在裂解C/C素坯局部區(qū)域富集嚴(yán)重，使得反應(yīng)后仍有部分殘余裂解碳團(tuán)聚，使得GSI反應(yīng)未能充分進(jìn)行，導(dǎo)致得到的C/C-SiC復(fù)合材料孔隙率增大，力學(xué)性能降低，彎曲強(qiáng)度分別為2