使用冷壁化学气相沉积(CWCVD)工艺制备的炭芯碳化硅纤维(CCSCF)具有高比强度、高比模量、良好的抗氧化性和高温稳定性等优良性能。CCSCF作为增强体应用于钛基复合材料中，能够显著提升材料的高温力学性能，被广泛应用于航空发动机领域。研究CCSCF的结构设计与控制可以丰富和完善陶瓷纤维、复合材料和界面科学的研究内容，有重要的学术意义。其成果对航空航天领域高温状态下材料应用中的相关瓶颈问题，有着广阔的应用背景。本文系统地研究与探讨了在炭芯表面沉积SiC涂层、热解碳(PC)涂层的热解化学和动力学过程、涂层的微观结构形成机制以及CCSCF的结构设计与力学性能之间的关系规律。其主要研究内容为:　　 1.炭单丝表面SiC涂层的微观结构及形成机制研究　　 (1)以一甲基三氯硅烷为前驱体，炭单丝为基体，使用CWCVD工艺考察了工艺参数对涂层微观结构的影响。结果表明，当沉积温度在1473～1773K，涂层为β-SiC晶型。随着沉积温度的升高，涂层轴向形貌由光滑致密向粗糙的球状形貌转变。当沉积温度为1773K时，轴向形貌表现为明显的菱柱状特征。温度的升高促进了SiC晶核的生长速率以及晶体尺寸的增大。　　 (2)沿着径向方向，SiC涂层的晶粒尺寸呈现先增大后减小的趋势。低沉积温度，结晶性沿径向方向呈下降趋势，而在较高沉积温度，结晶性表现为先变好后变差的趋势。SiC涂层内应力为压应力，主要集中于SiC涂层与炭单丝的界面区域。　　 (3)对炭单丝表面进行氢气环境下的热处理，有利于清除单丝表面的污染物，并改善炭单丝的晶体结构和择优取向。在适当工艺条件热处理的炭单丝表面沉积，可以获得轴向表面光滑致密的SiC涂层，涂层径向应力分布发生变化。　　 2.炭单丝表面PC涂层的微观结构及形成机制研究　　 (1)以乙炔和无水乙醇为前驱体，炭单丝为基体，使用CWCVD工艺考察了工艺参数对涂层微观结构的影响。不同前驱体具有不同的热解机制，导致随着沉积温度的变化发生不同的形貌结构改变。沉积温度的升高有利于PC涂层晶粒尺寸的增大和缺陷的减少。使用乙炔作为前驱体，涂层生长速率较快。使用无水乙醇作为碳源制备的PC涂层具有完好规则的微晶结构。这可能是由于无水乙醇中含有的羟基对沉积过程中无定形碳的刻蚀抑制所造成。　　 (2)涂层厚度对PC涂层与炭单丝的界面结合有重要影响。当厚度大于1μm时，容易发生界面开裂。这是由于随着涂层厚度的增加引起界面剪切力和剥离应力增大所致。　　 3.CCSCF的制备、结构及力学性能研究　　 (1)CCSCF中炭单丝、PC层、SiC涂层三相之间的界面结合可以通过PC的沉积温度来调控。当沉积温度较低时，PC与炭单丝界面结合较好。沉积温度的升高有利于PC层晶体尺寸和有序度得到提高，从而使径向方向的杨氏模量和热膨胀系数均减小，并且容易获得光滑致密的轴向表面，因此有利于促进PC涂层与SiC涂层之间的界面结合。　　 (2)CCSCF的力学性能与SiC涂层厚度有密切关系。随着SiC涂层厚度的增加，纤维拉伸强度呈现先增大后减小的变化规律。静态CWCVD沉积工艺由于反应器中存在不同的沉积环境，CCSCF容易产生不同的直径及结构形貌，力学性能呈现双峰或多峰分布。　　 (3)使用连续CWCVD工艺能够制备界面结合良好的多组元CCSCF。连续CCSCF在径向方向化学组分变化规律复杂。根据径向方向结构参数变化曲线，可以对反应器中复杂的反应环境进行推断分析。　　 4.CCSCF的多组元结构设计　　 (1)以商业化CCSCF微观结构及力学性能的比较分析为基础，通过理论计算，推断出CCSCF的拉伸强度由SiC涂层的结构及其在CCSCF中的体积比共同决定。当SiC涂层微观结构不变时，涂层存在最佳的厚度以使纤维获得最优的力学性能。细晶粒SiC涂层有利于使CCSCF获得高拉伸强度。　　 (2)CCSCF作为一种复合型纤维，力学性能与结构设计有密切关系。当涂层的拉伸强度及强度分布优于炭单丝时，纤维力学性能才能得到改善。通过结晶性提高和晶粒细化等结构变化，能够提高CCSCF的力学性能。　　 (3)静态CWCVD法存在工艺中沉积温度逐渐降低和涂层厚度增加速率在径向方向进行快速减小的工艺特点。该工艺特点导致在纤维的径向截面晶型结构发生变化。当结构差异较大时涂层会出现开裂。较低的沉积温度以及具有恒温功能的连续沉积将有助于SiC涂层在径向方向保持较稳定的晶型结构。