PIP法制备碳纤维增强碳化硅复合材料及其烧蚀性能的研究

论文摘要

碳纤维增强碳化硅基复合材料（C/SiC）因其高比强、高比模、耐高温、抗氧化、耐磨损以及热稳定性较好等突出特点,成为航空航天领域极具潜力的热结构材料。本文采用先驱体浸渍裂解法（PIP）制备三向正交C/SiC复合材料,研究了制备工艺及纤维类型对复合材料力学性能和微结构的影响,优化了最佳工艺参数;研究了C/SiC复合材料氧-乙炔焰烧蚀过程,分析了烧蚀面微观结构、相组成和线烧蚀率,揭示了C/SiC复合材料的烧蚀机制。主要结论如下:（1）将三向正交碳纤维编织体置于质量比为1:0.4的聚碳硅烷/二乙烯基苯溶液中加压浸渍,65oC浸渍30min后,降低至25oC,增加先驱体粘度,继续浸渍30min,从而提高其在编织体内残留率。（2）致密化前期快速升温裂解,以使基体内部气孔连通便于后续浸渍,后期慢速升温裂解避免因热胀失配而产生裂纹,末期升温裂解至1600oC以晶化基体。（3）与T300碳纤维相比,具有更高强度和模量的M30碳纤维与碳化硅基体界面产生较强的界面应力,消弱了纤维拔出,因此M30 C/SiC复合材料的力学性能优于T300 C/SiC复合材料。（4） 1600oC、1800oC、2200oC、2900oC氧-乙炔焰烧蚀C/SiC试样180s。材料从室温瞬间升温至烧蚀温度,烧蚀后材料表面没有宏观裂纹,保持了完整性,表明该材料具有优良的抗热冲击性能、抗氧化和抗烧蚀性能。（5）烧蚀后材料表面形成三个区域。烧蚀中心均形成乙炔裂解沉积产生的乱层碳涂层,1600oC、1800oC烧蚀后涂层表面分布有孔洞,2200oC烧蚀后涂层表面光滑,2900oC烧蚀后涂层表面布满白色SiO2微粒。（6） C/SiC复合材料的线烧蚀率随着氧-乙炔流量和温度的增高而增大,氧化和机械冲刷加重。C/SiC复合材料在氧-乙炔火焰下的烧蚀机制是乱层碳沉积、氧化、机械冲刷综合作用的结果,此外还伴有碳化硅基体的再结晶。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 C/SiC 复合材料结构和制备方法
• 1.1.1 C/SiC 复合材料的组成
• 1.1.2 C/SiC 复合材料的制备方法
• 1.1.3 C/SiC 复合材料制备方法国内外研究现状
• 1.2 C/SiC 复合材料的工程需求与应用现状
• 1.2.1 C/SiC 复合材料的工程需求
• 1.2.2 C/SiC 复合材料的应用现状
• 1.3 C/SiC 复合材料的烧蚀机理研究现状
• 1.3.1 复合材料的烧蚀现象及烧蚀分类
• 1.3.2 C/SiC 复合材料的烧蚀性能研究进展
• 1.4 选题依据和研究内容
• 1.4.1 选题依据
• 1.4.2 主要研究内容
• 第二章 实验与研究方法
• 2.1 原料
• 2.1.1 碳纤维编织体
• 2.1.2 陶瓷先驱体
• 2.1.3 其它实验用品
• 2.2 C/SiC 复合材料的制备
• 2.2.1 PCS/DVB 先驱体溶液的配制及液相浸渍固化交联
• 2.2.2 高温裂解
• 2.3 实验设备
• 2.3.1 真空压力浸渍设备
• 2.3.2 高温裂解设备
• 2.3.3 其他实验设备
• 2.4 物理和力学性能测试
• 2.4.1 C/SiC 复合材料的密度和开气孔率的测定
• 2.4.2 弯曲强度测试
• 2.4.3 抗拉强度测试
• 2.4.4 剪切强度测试
• 2.4.5 抗压强度测试
• 2.5 烧蚀性能测试及表征
• 2.5.1 氧-乙炔烧蚀试验
• 2.5.2 线烧蚀率的测定
• 2.6 成分及组织结构分析
• 2.6.1 X 射线衍射分析
• 2.6.2 扫描电镜（SEM）观察
• 第三章 PIP 法制备 C/SiC 复合材料工艺研究
• 3.1 复合材料的结构
• 3.2 PIP 法制备 C/SiC 复合材料工艺
• 3.2.1 先驱体及其交联剂的确定
• 3.2.2 浸渍及固化交联工艺的确定
• 3.2.3 裂解工艺的确定
• 3.3 C/SiC 复合材料致密化
• 3.4 C/SiC 复合材料物理性能及微观结构
• 3.4.1 C/SiC 复合材料力学性能
• 3.4.2 C/SiC 复合材料的微观结构
• 3.5 本章小结
• 第四章 C/SiC 复合材料的烧蚀性能研究
• 4.1 C/SiC 复合材料的烧蚀形貌及相组成
• 4.1.1 试样选择与烧蚀条件
• 4.1.2 宏观形貌
• 4.1.3 相组成
• 4.1.4 微观形貌
• 4.2 线烧蚀率
• 4.3 烧蚀机理
• 4.4 烧蚀模型
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 后继工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文