三种界面C/Si-C-N材料的制备和典型性能研究

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碳纤维增韧的陶瓷基复合材料具有一系列突出优点,是满足现代航空航天发展需要的理想热结构材料。然而,C/SiC复合材料的制备存在制造周期长、成本高、以热解碳(PyC)或氮化硼(BN)作为界面抗氧化性能差等问题。 本文以T300碳纤维编织体为增强体,为陶瓷基体选用了一种廉价、无毒的先驱体,利用等压热梯度CVI法和先驱体浸渍裂解法(PIP)法制备了三种界面的C/Si-C-N复合材料。其中,Si-C-N基体和PyC界面分别以六甲基二硅氮烷(HMDS)和环己烷为先驱体用等压热梯度CVI法制备,莫来石(Mullite)和Si-O-C界面分别以仲丁醇铝(ASB)和正硅酸乙酯(TEOS)的混合溶液和二甲基硅油为先驱体用PIP法制备。对基体的成分和结构,三种复合材料的界面、显微组织、抗弯性能和热物理性能进行了研究。取得以下主要结果: 基体化学成分为Si、C、N和O元素,它是一种非晶态结构。基体经过1500℃热处理1小时后,析出了β-SiC和SiCN;经过1800℃热处理2小时后,还析出了α-SiC、β-Si3N4和α-Si3N4。 ASB和TEOS的混合溶液在室温放置后,交联形成凝胶状物质,该物质在997.45℃时发生放热反应,快速生成莫来石。1200℃下热处理2小时可得到结晶良好的莫来石,其晶粒尺寸约为35nm。 三种复合材料纤维之间的孔隙均呈现狭长状。C/PyC/Si-C-N复合材料纤维束间的孔隙约为100μm,纤维束内的孔隙约为几个μm,其界面结合较弱,PyC界面的厚度大约为1.5μm。C/Mullite/Si-C-N和C/Si-O-C/Si-C-N复合材料的界面结合都较强,都出现少量间隙。C/Mullite/Si-C-N复合材料的莫来石界面厚度分布不均匀,最厚可达到了1μm。 三种复合材料的高温抗弯强度均大于室温。C/PyrC/Si-C-N在室温和1300℃,C/Mullite/Si-C-N和C/Si-O-C/Si-C-N在1600℃,其弯曲应力—应变(或应力-位移)曲线均表现锯齿形上升特征,表现出假塑性的特征。C/Mullite/Si-C-N和C/Si-O-C/Si-C-N的弯曲伪塑性均从室温、1300℃和1600℃逐渐增大。在本文测试温度下,C/PyC/Si-C-N和C/Si-O-C/Si-C-N的弯曲模量基本不变,C/Mullite/Si-C-N在1600℃的弯曲模量则明显下降。C/Mullite/Si-C-N和C/Si-O-C/Si-C-N在1600℃下均为混合型断裂,室温和1300℃下则都表现为非积聚型断裂。 三种复合材料在较低温度范围内均出现了负膨胀,瞬态热膨胀系数随着温度的升高而上升,最后分别在不同的温度下急剧下降,并再次降低为负值。
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