纖維增韌自愈合碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的高溫模擬環(huán)境微結(jié)構(gòu)演變.pdf

1、航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展迫切需要低密度、高強度、高模量、高韌性和耐高溫的連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料( CMC-SiC)。然而，目前的CMC-SiC材料還不能滿足高推重比航空發(fā)動機熱端部件的長時間(上千小時)服役要求，必須進一步改善其抗氧化性能，發(fā)展具有自愈合功能的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料( CMC-MS)。CMC-MS材料的抗氧化壽命主要受纖維、基體、纖維/基體界面相和涂層的成分及微結(jié)構(gòu)影響，因此，必須深入研究用于CMC-MS材料的Hi

2、-Nicalon纖維、自制含鋁碳化硅纖維、自愈合基體及自愈合涂層的微結(jié)構(gòu)及其隨處理溫度和環(huán)境的變化規(guī)律，從而指導(dǎo)材料設(shè)計和工藝改進。 本文以CMC-MS材料為研究對象，通過微結(jié)構(gòu)評價和表征，系統(tǒng)深入地研究了Hi-Nicalon纖維在高溫模擬環(huán)境處理后的微結(jié)構(gòu)演變及力學(xué)性能，評價了纖維的失效過程；探索了自制含鋁碳化硅纖維中鋁元素的存在位置和狀態(tài)，明確了鋁在纖維結(jié)構(gòu)形成過程中的重要作用；揭示了CVD B-C陶瓷涂層及其熱處理后的微結(jié)

3、構(gòu)特征；研究了CVD B-C陶瓷改性后的自愈合涂層和自愈合基體在環(huán)境處理后的微結(jié)構(gòu)特征，解釋了CVD B-C陶瓷的自愈合機制；評價了環(huán)境處理后改性CMC-MS材料的自愈合情況和微結(jié)構(gòu)演變。為CMC-MS的材料設(shè)計與工藝改進提供了依據(jù)。主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下： 1、對水氧耦合環(huán)境中1300℃-1600℃處理1小時的Hi-Nicalon纖維進行了殘余強度測試和顯微結(jié)構(gòu)的表征。結(jié)果表明：純惰性氣氛中高溫處理后纖維強度下降，水氧耦環(huán)境處

4、理后，纖維殘余強度先升高后降低。與惰性氣氛環(huán)境相比，水氧環(huán)境使纖維發(fā)生惰性氧化，氧化后鈍化層生成、氣孔愈合、厚度增加、及均勻析晶對保持強度有重要作用。在纖維結(jié)構(gòu)完整的情況下，晶粒粗化對強度的不利影響在各種因素的綜合作用下被淹沒。 2、研究了自制摻雜Al元素的連續(xù)SiC纖維中Al的作用、狀態(tài)和存在位置。結(jié)果包括：(1)利用TEM觀察結(jié)合像模擬技術(shù)研究了Al-SiC纖維的晶體特征，并觀察了立方SiC晶粒中的孿晶結(jié)構(gòu)和析出六方結(jié)構(gòu)。(

5、2) Al作為燒結(jié)助劑，對改善纖維結(jié)構(gòu)致密度，控制晶粒長大的作用十分明顯。但其作用受交聯(lián)時間、燒結(jié)溫度、和晶粒尺寸等因素的影響。(3)含Al相以Al2OC、Al4SiC4等形式存在于SiC晶?；蚓ЯF之間。最終建立了Al-SiC纖維的結(jié)構(gòu)模型。 3、研究了不同工藝制備的CVD B-C陶瓷涂層微結(jié)構(gòu)組成及其氧化處理后的微結(jié)構(gòu)演變。結(jié)果表明：(1) B-C陶瓷涂層主要分為晶態(tài)和非晶態(tài)B-C陶瓷涂層。(2)高溫處理后，非晶B-C陶瓷向

6、晶態(tài)的B4C相轉(zhuǎn)變，且晶化程度隨熱處理溫度升高而提高。整個晶化過程受C、B元素擴散控制，導(dǎo)致兩B-C層界面處B4C晶體含量最高，并沿低能面外延生長，使涂層間結(jié)合更強。(3)直接面對水氧環(huán)境時，CVD B-C層因氧化和快速揮發(fā)而失去對材料的保護。對于SiC/B-C/SiC涂層，低溫時，B-C陶瓷層的氧化主要受氧化氣體(O2/H2O)穿過表面SiC層的制備缺陷以及熱處理過程中生成的裂紋控制。中溫時，表層SiC層已經(jīng)開始部分氧化為SiO2，而

7、B-C層的氧化仍受氧化氣體通過缺陷氧化B-C層控制。B2O3和SiO2形成硼硅酸鹽玻璃( B2O3-X SiO2)。高溫時，表層SiC氧化反應(yīng)速度加快，缺陷處B-C陶瓷層也因氧化而發(fā)生快速的體積膨脹。另外，表層SiC被大量氧化后，H2O有機會通過SiO2直接到達B-C層，氧化由H2O透過SiO2層導(dǎo)致B-C涂層的全面氧化所控制。解釋了SiC/B-C/SiC涂層在水氧耦合環(huán)境不同溫度中具有良好的抗氧化能力的微結(jié)構(gòu)本質(zhì)。 4、研究了

8、B-C陶瓷涂層自愈合改性和基體改性復(fù)合材料在氧化環(huán)境中處理后的微結(jié)構(gòu)和性能演變，觀察了微裂紋的擴散途徑和材料缺陷的氧化愈合。結(jié)果表明：(1)多種相及相間界面的存在使得兩種改性復(fù)合材料中的微裂紋皆存在多種擴展模式，復(fù)合材料纖維束間的結(jié)構(gòu)在一維尺度上存在著連續(xù)的弱結(jié)合點。(2)熱解碳(PyC)相和C纖維在高溫?zé)崽幚砗筅呌谛纬扇∠蛞恢碌墓哺窠Y(jié)構(gòu)，形成了強界面結(jié)合，有效促進了界面相內(nèi)裂紋偏轉(zhuǎn)。(3)涂層改性材料低溫處理后基體缺少愈合組元，但高溫