近零膨胀C/C-SiC复合材料的反应烧结法制备及性能研究

论文摘要

C/C-Si C复合材料以其轻质高强、热膨胀性能优异、耐空间复杂环境等优点成为新一代空间光学相机结构件的理想候选材料。光机结构材料的热膨胀性能关系着光机结构件的尺寸稳定性和空间相机的精确度,这就使得热膨胀系数成为该类结构材料的关键性能指标之一。本文以新一代空间相机对低膨胀支撑结构件的迫切需求为研究背景,开展了以针刺碳纤维毡为增强体、CVI C涂层为界面改性相、反应烧结Si C为基体的近零膨胀C/C-Si C复合材料的制备和性能研究,优化了反应烧结的核心工艺参数,筛选了基体碳源,重点研究了CVI C界面改性相、碳纤维体积含量对复合材料热膨胀性能和力学性能的影响机制,并且获得了综合性能优异的近零膨胀C/C-Si C复合材料。探究了反应烧结温度、素坯高温热处理温度两关键工艺参数对复合材料性能的影响规律,较好的反应烧结温度和素坯高温热处理温度依次为1650℃和2000℃,在此条件下制备的C/C-Si C复合材料的平面方向室温热膨胀系数为-0.055×10-6·K-1、弯曲强度为218 MPa、断裂韧性为8.93 MPa·m1/2。对比研究了化学气相渗透碳、沥青裂解碳、酚醛裂解碳三种不同碳基体对C/C-Si C复合材料制备的影响,沥青裂解碳反应活性较高、制备的复合材料具有较好的致密度（孔隙率<5%）,适合作为基体碳源。探讨了CVI C界面改性相对C/C-Si C复合材料性能的调控机制,研究了界面相厚度对复合材料力学和热膨胀性能的影响规律。当CVI C界面相厚度为3μm时所制备的复合材料性能最佳,其室温平面热膨胀系数为0.08×10-6·K-1,弯曲强度为242 MPa、断裂韧性为10.98 MPa·m1/2。揭示了C纤维体积含量对C/C-Si C复合材料性能的影响规律。结果表明在一定范围内增加碳纤维的体积含量能提高复合材料的力学性能和平面方向的热膨胀性能。C纤维体积分数为25%的C/C-Si C复合材料的平面方向室温CTE值为0.08×10-6·K-1,C纤维体积分数为30%的C/C-Si C复合材料的平面方向室温CTE降为-0.05×10-6·K-1,其弯曲强度为268MPa、断裂韧性为11.33 MPa·m1/2。说明可以使纤维体积分数处于某一数值（介于25%30%之间）时制备出平面内双向零膨胀的C/C-Si C复合材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 低膨胀材料及其在空间光机结构件方面的研究进展
• 1.1.1 低膨胀材料的研究进展
• 1.1.2 C/C-SiC空间光机结构材料的研究进展
• 1.2 C/C-SiC复合材料制备工艺
• 1.2.1 C/C-SiC复合材料制备工艺简介
• 1.2.2 不同制备工艺C/C-SiC复合材料的性能
• 1.3 C纤维增强体的选用及其界面改性研究
• 1.3.1 C纤维增强体的选用
• 1.3.2 增强体界面改性研究
• 1.4 论文的选题依据及研究内容
• 1.4.1 选题依据
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 实验及研究方法
• 2.1 论文总体研究方案
• 2.2 C/C-SiC复合材料的制备
• 2.3 主要实验原料与设备
• 2.3.1 实验材料
• 2.3.2 主要仪器与设备
• 2.4 材料表征与性能测试
• 2.4.1 密度及孔隙率测试
• 2.4.2 复合材料相含量测试
• 2.4.3 复合材料的弯曲强度测试
• 2.4.4 热膨胀系数（CTE）的测试
• 2.4.5 X射线衍射（XRD）分析
• 2.4.6 微观形貌表征与分析
• 第三章 反应烧结制备C/C-SiC复合材料的工艺研究
• 3.1 C/C素坯的组成设计
• 3.1.1 C/C素坯的组成
• 3.1.2 C/C素坯的临界孔隙率和密度
• 3.1.3 工艺优化用C/C素坯的设计
• 3.2 反应烧结工艺的设计
• 3.2.1 气相反应烧结的基本理论
• 3.2.2 气相反应烧结工艺的设计
• 3.3 反应烧结温度对C/C-SiC复合材料组成及性能的影响
• 3.3.1 反应烧结温度对C/C-SiC复合材料密度和孔隙率的影响
• 3.3.2 反应烧结温度对C/C-SiC复合材料组成的影响
• 3.3.3 反应烧结温度对C/C-SiC复合材料力学性能的影响
• 3.3.4 反应烧结温度对C/C-SiC复合材料热膨胀性能的影响
• 3.3.5 小结
• 3.4 C/C素坯高温热处理对C/C-Si C复合材料组成及性能的影响
• 3.4.1 高温热处理对C/C素坯组成和结构的影响
• 3.4.2 高温热处理对C/C-SiC复合材料密度、孔隙率和组成的影响
• 3.4.3 高温热处理对C/C-SiC复合材料力学性能的影响
• 3.4.4 高温热处理对C/C-SiC复合材料热膨胀性能的影响
• 3.4.5 小结
• 第四章 近零膨胀C/C-SiC复合材料的制备及性能研究
• 4.1 不同碳基体对C/C-SiC复合材料的制备和性能的影响
• 4.1.1 不同碳基体素坯的基本情况
• 4.1.2 不同碳基体对C/C-SiC复合材料的组成和力学性能的影响
• 4.1.3 不同碳基体对C/C-SiC复合材料的热膨胀性能的影响
• 4.1.4 小结
• 4.2 C/C素坯孔隙率对C/C-Si C复合材料的制备和性能影响
• 4.2.1 C/C素坯孔隙率对C/C-Si C复合材料密度和组成的影响
• 4.2.2 C/C素坯孔隙率对C/C-Si C复合材料力学性能的影响
• 4.2.3 C/C素坯孔隙率对C/C-Si C复合材料热膨胀性能的影响
• 4.2.4 小结
• 4.3 CVI C界面改性对C/C-SiC复合材料的性能影响
• 4.3.1 CVI C界面改性涂层的制备与表征
• 4.3.2 CVI C界面改性对C/C-SiC复合材料的密度和组成的影响
• 4.3.3 CVI C界面改性对C/C-SiC复合材料力学性能的影响
• 4.3.4 CVI C界面改性对C/C-SiC复合材料热膨胀性能的影响
• 4.3.5 小结
• 4.4 CVI C界面改性层的调控机制研究
• 4.4.1 CVI C界面改性层对力学性能的调控
• 4.4.2 CVI C界面改性层对热膨胀性能的调控
• 4.4.3 小结
• 4.5 纤维体积分数对C/C-SiC复合材料性能的影响
• 4.5.1 纤维体积分数对C/C-SiC复合材料密度及力学性能的影响
• 4.5.2 纤维体积分数对C/C-SiC复合材料热膨胀性能的影响
• 4.5.3 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文