纤维增强SiC-RE陶瓷基复合材料的制备、结构及性能研究

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航空发动机是确保飞机使用性能的决定因素。高性能航空发动机的发展对热结构材料提出了极为苛刻的要求。连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料具有耐高温、比强度高,且在应力作用下表现为非脆性断裂失效方式等特点,被认为是可替代部分高温金属材料作为新一代高性能航空发动机热端部件的重要候选材料。但是,受传统制备方法制约,目前获得的纤维增强碳化硅复合材料还存在基体中碳和硅反应不充分以及在水氧条件中碳化硅基体发生退化等关键问题,严重影响了材料的性能。  针对以上问题,本课题提出利用有机物固化分相原理,在纤维预制体内部构筑具有适合熔渗反应的碳基体结构,并显著降低碳基体中热解碳的颗粒尺寸,以突破现有制备方法的局限,实现碳和硅的充分反应,避免大块碳和大块金属残留;通过浸渍裂解法将稀土元素引入基体中,对基体进行改性,提高纤维增强陶瓷基复合材料基体自身的抗水氧性能,减少对环境障碍涂层的依赖。  本文通过反应熔渗法制备得到Cf/SiC复合材料,通过浸渍裂解酚醛树脂周期对Cf/C孔隙结构进行了调控,并且利用碳基体结构调控剂对酚醛树脂碳进行了优化。对比了不同酚醛树脂浸渍裂解周期制备的复合材料结构与性能的差异;对未添加碳基体结构调控剂与添加碳基体结构调控剂制备的复合材料进行了对照试验,分析了碳基体调控剂在材料中的作用、对微观结构的影响。此外,在Cf/SiC复合材料中引入钇源,研究了钇源在复合材料中的分布状态。  研究表明酚醛树脂碳在纤维束间分布均匀,在纤维束内有少量分布。随着酚醛树脂浸渍裂解周期的增加,引入的酚醛树脂碳随之增加,在熔渗预制体中留给硅熔渗的孔隙也相应减少,并且在熔渗过程中,对纤维的侵蚀程度以及游离硅含量逐渐降低,复合材料抗弯强度随之提高。孔隙调控剂对纤维预制体中裂解碳的结构有很明显的改善,当孔隙调控剂/酚醛树脂质量比为1∶8,固化温度为130℃,裂解温度为1000℃时,可以得到中位径为1.8μm,孔径分布为0.2-20μm的多孔预制体。基于熔渗多孔预制体孔隙结构调控,采用熔渗工艺制备得到Cf/SiC复合材料,材料开口气孔率为6%-12%,密度为2.00-2.27g/cm3。复合材料的显微结构表明,基体中无大块残留碳的存在,反应生成的碳化硅在基体中均匀分布,并且提升了复合材料的抗弯强度79%。分别通过熔渗Si-41.0wt%Y合金和浸渍裂解硝酸钇的方法在复合材料中引入钇源,但是两者的组成成分与分布状态有所不同。熔渗Si-41.0 wt%Y合金引入的钇源以YSi2的组成分布在复合材料纤维束间;浸渍裂解硝酸钇法引入的钇源以Y2O3的成分在复合材料纤维束环绕分布。  基于前期碳纤维增强陶瓷基复合材料研究成果,通过浸渍裂解法将Y2O3引入到复合材料基体中。利用浸渍裂解硝酸钇法,通过CVI致密化制备得到SiCf/Y2O3-SiC复合材料,对Y2O3在复合材料中的分布状态以及复合材料抗水氧性能进行了表征。研究发现,Y2O3对抑制SiO2的挥发非常明显,相比于未加Y2O3的复合材料,复合材料增重比例提高5倍。
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