C_f/铝硅酸盐聚合物及其转化陶瓷基复合材料的研究

论文摘要

本文采用超声辅助-料浆浸渍工艺制备了单向碳纤维强韧铝硅酸盐聚合物复合材料,探讨了纤维含量和基体组成对复合材料力学性能和断裂行为的影响,系统研究了铝硅酸盐聚合物的陶瓷化机制和单向碳纤维强韧铝硅酸盐聚合物转化高性能陶瓷基复合材料的力学性能和断裂机制,并进一步探讨了sol-SiO2再浸渍对高温处理后复合材料高温性能和损伤机制的影响。研究表明,通过控制工艺参数能够获得低粘度、高稳定性的铝硅酸盐聚合物料浆,所制备的复合材料中碳纤维浸渍充分并且分布均匀。与铝硅酸盐聚合物基体材料相比,采用纤维强韧化复合材料的力学性能有了质的提高,特别是纤维含量为20vol.%的复合材料,其抗弯强度、弹性模量和断裂功分别提高了11.6倍、3.6倍和71.5倍。并且与基体材料的脆性断裂不同,纤维强韧的铝硅酸盐聚合物基复合材料呈现明显的韧性断裂特征。增加铝硅酸盐聚合物基体的硅铝比能够显著提高复合材料的力学性能。随基体硅铝比增加,纤维的强韧作用更为显著,同时复合材料的断裂模式由剪切断裂模式逐渐转变为抗弯断裂模式。铝硅酸盐聚合物经过适当的高温处理后能够转变为四方或者立方白榴石陶瓷。铝硅酸盐聚合物的陶瓷化过程可以分为结构弹性、脱水、脱羟基和烧结致密化四个阶段,并且在烧结致密化阶段材料表现出最大的收缩值。对钾金属离子激发的铝硅酸盐聚合物而言,加热过程中晶化出现在其完全致密化之后,其晶化机制为三维均匀晶化。与未陶瓷化铝硅酸盐聚合物相比,陶瓷化产物的机械性能有了质的提高,然而表现出较高的热膨胀系数,并且在400℃附近出现体积膨胀的四方–立方相变;Cs+部分等量替代K+后铝硅酸盐聚合物的晶化活化能降低,铝硅酸盐聚合物易于晶化,并且当Cs+替代量为20at.%时,高温立方白榴石相能够完全被稳定至室温,同时陶瓷化产物的热膨胀系数显著下降。碳纤维强韧铝硅酸盐聚合物复合材料经过适宜的高温处理后能够直接转变为碳纤维强韧白榴石陶瓷基复合材料,并且力学性能获得大幅度提高。碳纤维强韧K+激发铝硅酸盐聚合物复合材料（Cf/KGP）经1100℃处理后力学性能达到最大值,其抗弯强度、断裂功和弹性模量比未处理复合材料分别提高了102.3%, 29.1%和84.7%;而碳纤维强韧20at.%Cs+等量替代K+激发铝硅酸盐聚合物（Cf/CsKGP）复合材料经1200℃处理后获得最高的力学性能值,比未处理复合材料分别提高了115.2%、63.3%和123.1%。复合材料力学性能的提高主要是基于纤维保持完整性前提下的基体陶瓷化、复合材料致密化（伴随纤维体积含量增加）和适宜的界面结合强度。当处理温度过高时,复合材料的性能急剧恶化,这主要是由于高温下发生元素扩散导致纤维与基体发生界面反应,导致碳纤维的性能严重损伤进而降低其强韧化作用。sol-SiO2重复浸渍能够有效弥合高温处理后复合材料内的裂纹和气孔,继而提高复合材料的致密度和力学性能。浸渍后复合材料密度介于2.15～2.2 g?cm-3,具有较高的比强度。浸渍前后复合材料在700℃和900℃的测试温度下均表现出强度增加的规律,并且在900℃复合材料的抗弯强度达到最高值。高温下强度提高的主要原因是基于纤维保持性能完好基础下的裂纹钝化和残余应力释放。与浸渍前复合材料相比,更为致密的显微结构使浸渍后复合材料表现出更为优异的碳纤维高温抗氧化性和高温力学性能,在1200℃高温下,浸渍后复合材料仍能保持室温强度的72.2%～87.5%。在900℃以内,复合材料表现出较为优异的等温抗氧化性能,经过900℃氧化60min后复合材料强度仍能保持约50%的初始强度。综上所述,铝硅酸盐聚合物技术为低成本制备高性能、低密度碳纤维强韧白榴石陶瓷基复合材料提供了一种新方法,所制备的复合材料不仅表现出较高的室温和高温力学性能,而且具有优良的高温抗氧化性能,因此在高温结构材料领域具有一定的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 铝硅酸盐聚合物简介
• 1.2.1 合成工艺和聚合机理
• 1.2.2 铝硅酸盐聚合物的组织结构和性能
• 1.3 铝硅酸盐聚合物的陶瓷化
• 1.3.1 铝硅酸盐聚合物陶瓷化产物的种类与特性
• 1.3.2 铝硅酸盐聚合物陶瓷化机制和工艺
• 1.4 铝硅酸盐聚合物复合材料
• 1.5 连续纤维强韧复合材料设计与性能预测
• 1.5.1 连续纤维强韧复合材料的设计准则
• 1.5.2 复合材料的性能预测理论
• 1.6 本文的研究目的、意义和主要研究内容
• 第2章 试验材料及研究方法
• 2.1 试验用原材料
• 2.2 复合材料设计及制备
• 2.2.1 铝硅酸盐聚合物的设计和制备
• 2.2.2 复合材料的制备工艺
• 2.3 铝硅酸盐聚合物料浆流变学行为
• 2.4 材料的力学性能测试
• 2.4.1 室温抗弯强度和弹性模量
• 2.4.2 断裂韧性
• 2.4.3 断裂功
• 2.4.4 高温抗弯强度
• 2.4.5 高温氧化后的抗弯强度
• 2.5 材料的热学性能测试
• 2.5.1 热膨胀系数
• 2.5.2 热重分析（TG/DTA）
• 2.6 复合材料的组织结构分析
• 2.6.1 复合材料密度
• 2.6.2 物相分析（XRD）
• 2.6.3 扫描观察（SEM）
• 2.6.4 透射电镜观察（TEM）和高分辨电镜观察（HRTEM）
• f/铝硅酸盐聚合物复合材料的制备工艺和力学性能'>第3章 C_f/铝硅酸盐聚合物复合材料的制备工艺和力学性能
• f/铝硅酸盐聚合物复合材料的工艺优化'>3.1 C_f/铝硅酸盐聚合物复合材料的工艺优化
• 3.1.1 铝硅酸盐聚合物料浆流变学行为
• f 含量优化'>3.1.2 C_f含量优化
• 3.2 硅铝比对铝硅酸盐聚合物及其复合材料的影响
• 3.2.1 硅铝比对铝硅酸盐聚合物的影响
• f/铝硅酸盐聚合物复合材料的影响'>3.2.2 硅铝比对C_f/铝硅酸盐聚合物复合材料的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 铝硅酸盐聚合物的陶瓷化机制
• 4.1 成分设计及高温处理工艺
• 4.2 KGP 的陶瓷化机制
• 4.2.1 热重/差热分析
• 4.2.2 热收缩分析
• 4.2.3 物相演化
• 4.2.4 显微组织演化
• 4.2.5 烧结动力学
• 4.2.6 晶化动力学
• 4.2.7 陶瓷化产物的性能
• +等量替代K⁺对铝硅酸盐聚合物陶瓷化的影响'>4.3 Cs⁺等量替代K⁺对铝硅酸盐聚合物陶瓷化的影响
• 4.3.1 热重/差热分析
• 4.3.2 热收缩分析
• 4.3.3 物相组成及演化
• 4.3.4 显微组织演化
• 4.3.5 晶化动力学
• +等量替代K⁺对白榴石立方→四方相变的影响'>4.4 Cs⁺等量替代K⁺对白榴石立方→四方相变的影响
• +含量铝硅酸盐聚合物陶瓷化产物的结构'>4.4.1 不同Cs⁺含量铝硅酸盐聚合物陶瓷化产物的结构
• 4.4.2 陶瓷化产物的形貌
• 4.4.3 陶瓷化产物的热膨胀性能
• 4.5 本章小结
• f/铝硅酸盐聚合物复合材料组织结构和力学性能的影响'>第5章 高温处理对C_f/铝硅酸盐聚合物复合材料组织结构和力学性能的影响
• 5.1 成分设计与处理工艺
• f/KGP 复合材料性能的影响'>5.2 高温处理对C_f/KGP 复合材料性能的影响
• 5.2.1 高温处理后复合材料的物相组成
• 5.2.2 高温处理后复合材料的收缩率
• 5.2.3 高温处理后复合材料的表观密度
• 5.2.4 高温处理后复合材料的显微形貌
• 5.2.5 高温处理后复合材料的纤维/基体界面形貌
• 5.2.6 高温处理后复合材料的力学性能
• 5.2.7 关于力学性能的探讨
• f/CsKGP 性能的影响'>5.3 高温处理对C_f/CsKGP 性能的影响
• f/CsKGP 复合材料的热分析'>5.3.1 C_f/CsKGP 复合材料的热分析
• 5.3.2 高温处理后复合材料的物相组成
• 5.3.3 高温处理后复合材料的收缩率
• 5.3.4 高温处理后复合材料的界面形貌
• 5.3.5 高温处理后复合材料的力学性能与断裂行为
• 5.4 本章小结
• 2浸渍对高温处理后复合材料的力学性能和高温损伤机制的影响'>第6章 sol-Si0₂浸渍对高温处理后复合材料的力学性能和高温损伤机制的影响
• 6.1 碳纤维氧化动力学
• 6.2 复合材料再浸渍
• 6.2.1 浸渍工艺的优化
• 2 浸渍后的物相组成'>6.2.2 sol-Si0₂浸渍后的物相组成
• 2 浸渍后的微观形貌'>6.2.3 sol-Si0₂浸渍后的微观形貌
• 2 浸渍对复合材料的室温力学性能的影响'>6.2.4 sol-Si0₂浸渍对复合材料的室温力学性能的影响
• 2 浸渍对复合材料非等温氧化行为的影响'>6.2.5 sol-Si0₂浸渍对复合材料非等温氧化行为的影响
• 6.3 复合材料的高温性能和损伤机制
• 6.3.1 高温力学性能
• 6.3.2 高温断裂行为
• 6.3.3 复合材料高温下的氧化损伤
• 6.3.4 高温强化机制
• 6.4 复合材料的等温氧化性能
• 6.4.1 氧化后的表面形貌
• 6.4.2 氧化后的力学性能
• 6.4.3 断裂行为
• 6.4.4 复合材料的等温氧化损伤
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢
• 个人简历