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SiC纤维表面涂层的制备及其作用研究进展

材料工程 2023年第8期51卷 33-45页

作者：康伟峰邢欣张禹闫德轩苟燕子国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

SiC纤维作为陶瓷基复合材料(CMC)的常见增强体之一,具有较低的密度、较高的拉伸强度以及优良的耐高温和耐氧化性能。在SiC纤维表面制备涂层,不仅可提升纤维本身的力学性能、耐高温性能、抗氧化性能以及电磁功能特性,而且还可有效改善纤... 详细信息

SiC纤维作为陶瓷基复合材料(CMC)的常见增强体之一,具有较低的密度、较高的拉伸强度以及优良的耐高温和耐氧化性能。在SiC纤维表面制备涂层,不仅可提升纤维本身的力学性能、耐高温性能、抗氧化性能以及电磁功能特性,而且还可有效改善纤维与基体界面的结合性能,提高复合材料的断裂韧性与力学性能。本文首先对SiC纤维表面涂层的制备方法进行了综述,阐述了刻蚀法、沉积法、化学气相渗透法以及先驱体转化法等方法的基本过程及相关研究进展,并对比了不同制备方法的优缺点,然后综述了涂层对SiC纤维及其增强的复合材料的影响,最后对SiC纤维上制备涂层的发展趋势进行了总结归纳,可以采用实验研究与计算仿真相结合的手段来模拟SiC纤维涂层的真实服役环境,并可以通过制备热障复合涂层来提高纤维在极端服役条件下的使用性能。

关键词： SiC纤维 CMC 表面涂层制备界面

碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响

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材料工程 2023年第8期51卷 142-148页

作者：缪花明刘荣军王衍飞李俊生李端万帆国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布,通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体,再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,CVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration,GSI)联用制备了C/C-SiC复合材料。... 详细信息

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布,通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体,再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,CVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration,GSI)联用制备了C/C-SiC复合材料。研究了碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响。结果表明,由纤维体积分数与C/C素坯密度都相同的预制体所制备的两种复合材料的密度、各相组成、结构与性能均大不相同。较小的碳纤维丝束(1K)和碳布面密度(92 g/m^(2)),以及锁式缝合留下的较大孔隙为GSI反应中Si蒸气的渗透提供了更加充足的通道,最终制备的T1复合材料孔隙率低、结构均匀、性能更高,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为300.97 MPa,51.75 GPa,11.32 MPa·m^(1/2)。初始预制体结构和C/C中间体结构的综合调控是CVI-GSI联用工艺制备高性能C/C-SiC复合材料的关键。

关键词： C/C-SiC复合材料预制体结构气相渗硅化学气相渗透碳布叠层

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氧化铟锡纳米晶薄膜的制备及其电致变色性能

材料工程 2023年第8期51卷 215-221页

作者：贾岩刘东青程海峰国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

采用一锅法合成不同形貌、尺寸的氧化铟锡(ITO)纳米晶,并通过旋涂工艺制备ITO纳米晶薄膜,研究不同形貌、尺寸ITO纳米晶制备的薄膜的近红外光谱调控性能。结果表明:5次旋涂后,ITO纳米晶薄膜的可见光透过率为89.2%,电阻率为54Ω·cm。平... 详细信息

采用一锅法合成不同形貌、尺寸的氧化铟锡(ITO)纳米晶,并通过旋涂工艺制备ITO纳米晶薄膜,研究不同形貌、尺寸ITO纳米晶制备的薄膜的近红外光谱调控性能。结果表明:5次旋涂后,ITO纳米晶薄膜的可见光透过率为89.2%,电阻率为54Ω·cm。平均直径为(6.88±1.53)nm的均匀球形ITO纳米晶制备的薄膜表现出最优的近红外光谱调控能力,在施加±2.5 V电压后,其在2000 nm的光谱调制量为39.3%,光密度变化量为0.43。在电致变色前后,ITO纳米晶薄膜始终保持高可见光透过率。ITO纳米晶的电致变色是由于电子注入/脱出导致的局域表面等离子体共振(LSPR)频率和强度变化引起,其电致变色过程是通过电容充放电实现的。

关键词：氧化铟锡电致变色纳米晶薄膜智能窗

固含量对浆料浸渍法制备氧化铝陶瓷基复合材料结构与性能的影响

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材料工程 2023年第8期51卷 120-129页

作者：冻瑞岚彭志航向阳曹峰国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料具有耐高温、高强度、抗氧化等特点,在航空航天热结构材料方向具有广阔的应用前景。使用Nextel^(TM)610纤维布作为增强体,以浆料浸渍-模压成型工艺制备复合材料粗坯,经马弗炉一次高温烧结获得氧化铝... 详细信息

氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料具有耐高温、高强度、抗氧化等特点,在航空航天热结构材料方向具有广阔的应用前景。使用Nextel^(TM)610纤维布作为增强体,以浆料浸渍-模压成型工艺制备复合材料粗坯,经马弗炉一次高温烧结获得氧化铝陶瓷基复合材料。通过对纤维和基体的晶体结构、力学强度等性能随热处理温度变化的影响确定适合复合材料制备的温度范围。研究不同固含量浆料对复合材料力学性能和微观结构的影响。结果表明:Nextel^(TM)610/Al 2O 3陶瓷基复合材料的弯曲强度随着固含量的增大呈先增大后减小的变化趋势,当浆料固含量为60%(质量分数,下同)时,其弯曲强度最大,达到370.68 MPa。当固含量小于60%时,复合材料弯曲强度较低的原因是纤维束内的基体填充不足;当固含量增大至65%时,复合材料弯曲强度衰减原因是过多基体缺陷的产生和纤维-基体界面间结合增强,阻碍了纤维脱粘、拔出等增韧机制。

关键词：浆料法固含量氧化铝陶瓷基复合材料力学性能

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防隔热一体化TPS材料制备及耐高温性能

材料工程 2023年第8期51卷 207-214页

作者：向阳莫琛彭志航曹峰冯坚李良军国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

为满足高速飞行器大面积热防护(≥1500℃)需求,以耐高温氧化铝纤维增强气凝胶复合材料作为隔热层,碳纤维织物为面板层预制体,通过法向针刺穿刺工艺以及先驱体浸渍裂解工艺,制备防隔热一体化TPS材料,并开展耐高温性能测试研究,为材料的... 详细信息

为满足高速飞行器大面积热防护(≥1500℃)需求,以耐高温氧化铝纤维增强气凝胶复合材料作为隔热层,碳纤维织物为面板层预制体,通过法向针刺穿刺工艺以及先驱体浸渍裂解工艺,制备防隔热一体化TPS材料,并开展耐高温性能测试研究,为材料的工程化应用提供理论与技术支持。结果表明:采用针刺穿刺缝合技术与PIP工艺可以制备防隔热一体化TPS材料,整体性较好,无明显的缺陷,密度仅为0.6 g/cm^(3)。C/SiC复合材料在高温氧化环境中使用,氧化性气氛通过孔隙与裂纹等缺陷扩散进入材料内部,与碳纤维发生氧化反应,导致复合材料性能的下降。材料具有优异的耐高温性能,材料的质量烧蚀率为0.051 g/s,线烧蚀率为0.077 mm/s;未出现显著的间隙结构,整体无明显收缩,呈现出较好的耐高温性能。

关键词：防隔热先驱体浸渍裂解一体化材料工程应用耐高温

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SiC纤维成键陶瓷材料研究进展

材料工程 2023年第8期51卷 23-32页

作者：许志明余艺平王松李伟国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

SiC纤维成键陶瓷(SiC fiber-bonded ceramics,FBCs)作为一种由SiC纤维热压烧结而得到的新型高温结构材料,具有低气孔率、高纤维体积分数的结构特点,以及耐高温、抗氧化、高强度等性能优势,是航空发动机涡轮叶片、转子等高温部件的极佳... 详细信息

SiC纤维成键陶瓷(SiC fiber-bonded ceramics,FBCs)作为一种由SiC纤维热压烧结而得到的新型高温结构材料,具有低气孔率、高纤维体积分数的结构特点,以及耐高温、抗氧化、高强度等性能优势,是航空发动机涡轮叶片、转子等高温部件的极佳候选材料。本文系统论述了SiC纤维成键陶瓷的研究进展情况,介绍了两类成键陶瓷(Tyrannohex与SA-Tyrannohex)的结构特点与制备方法,讨论了成键陶瓷组成、结构与性能之间的相互关系,指出界面碳层对于成键陶瓷性能的发挥具有关键作用,着重介绍了SA-Tyrannohex型成键陶瓷的室温与高温力学性能,分析其具有优异高温性能的原因,总结SA-Tyrannohex考核验证与应用发展情况,指出目前成键陶瓷还存在复杂构件成型困难等问题,并展望了成键陶瓷未来需要进一步强韧化、加强动态服役考核等发展趋势与研究方向,最后提出开展SiC纤维成键陶瓷的研究对于我国耐高温部件新材料的研制具有重要意义。

关键词：碳化硅纤维 SiC成键陶瓷热压烧结力学性能应用发展

聚锆碳烷/聚碳硅烷杂化先驱体转化制备ZrC-SiC复相陶瓷

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材料工程 2023年第8期51卷 102-109页

作者：赵哲高强韩成王应德国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

采用聚锆碳烷PZC和聚碳硅烷PCS作为杂化先驱体聚合物,通过脱氢耦合反应制备富含活性交联位点的ZrC-SiC复相陶瓷先驱体PZCS,研究先驱体陶瓷化机理及最终陶瓷的组成结构。结果表明:PZCS先驱体由于促进了陶瓷化过程中活性基团的交联,850℃... 详细信息

采用聚锆碳烷PZC和聚碳硅烷PCS作为杂化先驱体聚合物,通过脱氢耦合反应制备富含活性交联位点的ZrC-SiC复相陶瓷先驱体PZCS,研究先驱体陶瓷化机理及最终陶瓷的组成结构。结果表明:PZCS先驱体由于促进了陶瓷化过程中活性基团的交联,850℃下其陶瓷产率(71.84%,质量分数,下同)显著高于PZC(51.40%)或PCS(53.46%)先驱体。同时,在Zr-Cp的催化下,通过先驱体之间的协同作用近程碳与Zr,Si元素直接转化生成碳化物陶瓷,避免了碳热还原反应对陶瓷的损伤,并有效降低了烧结温度。PZCS先驱体经陶瓷化处理后生成兼具耐高温组元和抗氧化组元的ZrC-SiC纳米复相陶瓷,ZrC相和SiC相可以相互抑制结晶、细化晶粒,其中ZrC晶粒尺寸为25.4 nm,纳米复相结构的生成有利于提升超高温陶瓷的综合性能。

关键词：聚锆碳烷聚碳硅烷协同转化 ZrC-SiC 复相陶瓷

连续纤维增强陶瓷基复合材料连接件的研究进展

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材料工程 2023年第8期51卷 1-11页

作者：马昕刘海韬孙逊国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

连续纤维强韧化陶瓷基复合材料(CMCs)是航空航天等领域关键热结构材料,机械连接作为最可靠的连接方式之一,是实现大尺寸复杂CMCs构件连接的重要手段。目前,CMCs连接件的研究正在快速发展,但鲜见有关CMCs连接件的全面综述性文献。本文围... 详细信息

连续纤维强韧化陶瓷基复合材料(CMCs)是航空航天等领域关键热结构材料,机械连接作为最可靠的连接方式之一,是实现大尺寸复杂CMCs构件连接的重要手段。目前,CMCs连接件的研究正在快速发展,但鲜见有关CMCs连接件的全面综述性文献。本文围绕近年来在CMCs连接件领域的研究工作,归纳了CMCs紧固件的制备及力学性能表征方法,系统梳理和讨论了CMCs紧固件的损伤失效机制,从材料性能和外部环境角度出发,重点阐述了CMCs紧固件力学性能的影响因素和规律,并介绍了CMCs机械连接件相关研究工作,最后对CMCs连接件在损伤规律、失效机制、有限元仿真以及连接可靠性等方面进行了展望。

关键词：陶瓷基复合材料螺栓销钉连接

PIP法制备C/SiOC复合材料的微结构演变与力学性能

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材料工程 2023年第8期51卷 162-169页

作者：郭蕾马青松陈雅琦国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室长沙410073

碳纤维增强硅树脂衍生SiOC(C/SiOC)复合材料具有高性价比的优势,是一种应用前景良好的高温结构材料。以碳纤维针刺毡作为增强体,通过先驱体浸渍裂解(precursor infiltration pyrolysis,PIP)工艺制备C/SiOC复合材料。在首周期引入热模压... 详细信息

碳纤维增强硅树脂衍生SiOC(C/SiOC)复合材料具有高性价比的优势,是一种应用前景良好的高温结构材料。以碳纤维针刺毡作为增强体,通过先驱体浸渍裂解(precursor infiltration pyrolysis,PIP)工艺制备C/SiOC复合材料。在首周期引入热模压交联工艺,通过优化热模压温度和压力,在不破坏针刺毡结构的前提下,有效提高了纤维体积分数和复合材料致密度,使C/SiOC复合材料的室温弯曲强度和断裂韧度分别提升至331 MPa和16.0 MPa·m^(1/2)。对C/SiOC复合材料的致密化过程的结构演变进行了分析,结果表明,基体优先填充纤维束内孔隙,复合材料的孔隙大部分集中分布在Z向纤维附近。随着制备周期的增加,复合材料的孔隙率逐渐降低,孔隙由连通孔转变为孤立孔。经过8周期“浸渍-交联-裂解”工艺,复合材料基本完成致密化。

关键词： C/SiOC复合材料三维碳纤维针刺毡热模压力学性能先驱体浸渍裂解