论文摘要
碳化硅纤维增强碳化硅复合材料（SiCf/SiC）是较理想的核聚变堆用材料,在聚变堆结构材料和功能材料中都有广泛的应用前景,中国提出的双功能锂铅实验包层模块中即采用了SiCf/SiC复合材料作为流道插件的候选材料。本文针对SiCf/SiC复合材料在流道插件中的应用要求,采用国产纤维和先驱体,通过不同工艺制备了三维四向和2.5D编织SiCf/SiC复合材料,对复合材料性能进行了表征,并对SiCf/SiC复合材料与LiPb熔液的化学相容性进行了初步研究。先驱体浸渍裂解工艺（PIP）制备的三维四向SiCf/SiC复合材料密度为1.97g·cm-3,弯曲强度和弯曲模量分别为323.10MPa和87.03GPa,断裂韧性为11.22 MPa·m1/2,剪切强度为49.23 MPa,热导率为1.14 W·m-1·K-1。复合材料通过化学气相沉积工艺（CVD）进行了30小时整体涂层后,密度为2.05 g·cm-3,弯曲强度和弯曲模量分别为353.01MPa和94.43GPa,断裂韧性为12.18 MPa·m1/2,剪切强度为50.33 MPa,热导率为1.57 W·m-1·K-1。通过PIP工艺制得的2.5D SiCf/SiC复合材料孔隙率高,纤维/基体界面结合弱,复合材料呈韧性断裂特征;基体不致密,无法有效的传递载荷,材料的强度和模量较低。经过不同时长的CVD SiC整体涂层后,材料致密化显著,复合材料的强度和模量明显提高,但纤维/基体界面结合变强,断裂模式转变为脆性断裂。与直接涂层的复合材料相比,经过CVD+PIP致密化处理后再进行涂层的复合材料密度相近,但力学性能较差,制备成本高,故通过PIP工艺制备复合材料后直接进行整体涂层是较优的工艺。三维四向和2.5D编织的SiCf/SiC复合材料在700℃静态LiPb熔液中浸泡500小时后,力学性能明显下降,其中2.5D SiCf/SiC复合材料严重损坏,三维四向SiCf/SiC复合材料力学性能下降了至少一个数量级。原因为液态金属中的杂质镍与复合材料表面或内部的无定形SiC发生了反应:SiC+Ni→NixSiy+C。该反应导致基体与纤维受到腐蚀,材料力学性能下降。纤维编织方式影响复合材料内部孔隙的结构,从而影响液态金属的渗入,三维四向SiCf/SiC复合材料内部孔隙尺寸较小且连通不多,其化学相容性明显好于2.5D SiCf/SiC复合材料。CVD SiC涂层与液态金属相容性较好,能够有效延缓液态金属对材料的腐蚀,经过整体涂层的SiCf/SiC复合材料腐蚀后外观和性能明显好于无涂层的SiCf/SiC复合材料。
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