高強-高模碳纖維增強C-SiC復合材料制備及其性能研究.pdf

1、伴隨著航空航天領域的發(fā)展，部分構(gòu)件（如衛(wèi)星上的部分支架和光測支撐結(jié)構(gòu)等）對C/SiC的強度和模量提出了更高的需求，并且目前C/SiC復合材料應用于高超聲速飛行器大面積熱防護材料防熱、承載一體化目標的實現(xiàn)也對高強度C/SiC復合材料提出了迫切的需求。目前國內(nèi) C/SiC復合材料多采用日本東麗T300纖維增強，優(yōu)化后的性能依然無法滿足需要。因此，本文采用高強度和高模量碳纖維作為增強體，利用先驅(qū)體浸漬裂解（PIP）工藝，研究了碳纖維高溫處理、

2、界面改性對碳纖維微觀結(jié)構(gòu)和C/SiC復合材料結(jié)構(gòu)、性能的影響，對不同纖維的強韌化機制進行了探討。
　　針對現(xiàn)有 C/SiC復合材料性能的不足，研究了高強度及高模量碳纖維對C/SiC復合材料性能的影響。采用先驅(qū)體浸漬-裂解工藝（PIP），以T300和T800（濕法紡絲）、T700和 T1000（干法紡絲）以及M40和M55（濕法紡絲+牽引石墨化）六種纖維為增強體，制備了mini C/SiC復合材料。并在此基礎上，采用碳纖維高溫熱處理

3、、化學氣相沉積裂解碳涂層（CVD-PyC）以及碳纖維預氧化工藝，研究了不同界面改性方式對復合材料力學性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。
　　研究了不同纖維類型的表面結(jié)構(gòu)和力學性能對 miniC/SiC復合材料力學性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。不同紡絲工藝制備的纖維，其表面結(jié)構(gòu)不同。濕法紡絲的T300、T800、M40和 M55纖維表面粗糙，具有明顯的溝槽；干法紡絲的 T700和T1000表面光滑。結(jié)果表明：T300/SiC的拉伸和強度分別僅為40MP

4、 a和50MPa，T800/S iC的拉伸和彎曲強度分別為150 MPa和287MPa；T700/SiC的拉伸和彎曲強度分別為190MPa和391MPa，T1000/SiC的拉伸和彎曲強度分別為342MPa和434MPa；M40/SiC的拉伸和彎曲強度分別為422MPa和570MPa，M55/S iC的拉伸和彎曲強度分別為647MPa和791MPa。紡絲工藝相同時，高強度纖維增強mini C/S iC復合材料的強度與纖維的強度呈正比，而

5、高模量纖維增強miniC/SiC材料的強度與纖維的強度呈反比。高模量纖維增強的材料強度則明顯高于高強度纖維增強的材料強度。對于高強度T系列纖維，纖維表面結(jié)構(gòu)的不同是造成miniC/SiC性能不同的主要原因。另外， T300/S iC的拉伸和彎曲模量分別為112GPa和70.8GPa， T800/SiC的拉伸和彎曲模量分別為145GPa和81.8GPa；T700/SiC的拉伸和彎曲模量分別為117GPa和73.0GPa，T1000/S i

6、C的拉伸和彎曲模量分別為158GPa和87.2GPa；M40/SiC的拉伸和彎曲模量分別為132 GPa和83.4GPa， M55/S iC的拉伸和彎曲模量為252GPa和109GPa。說明mini C/SiC復合材料的模量與纖維的模量成正比。
　　研究了1400℃、1600℃和1800℃碳纖維高溫熱處理工藝對不同纖維的表面結(jié)構(gòu)、石墨化度以及mini C/S iC復合材料力學性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。熱處理溫度對碳纖維表面微觀結(jié)構(gòu)無影

7、響，高強纖維的石墨化度伴隨著高溫熱處理溫度的增大而增大，材料的模量也逐漸提高。高模纖維的石墨化度伴隨著高溫熱處理溫度的增大而保持不變，材料的模量也保持不變。力學性能結(jié)果表明：隨著熱處理溫度的升高，T300/S iC的彎曲強度逐步降低，1400℃時強度最大為751MPa；拉伸強度先升高后降低，1600℃時強度最大為822MPa；而模量則逐步增大，1800℃時拉伸和彎曲模量分別為181GPa和87.1 GPa。T800/S iC的彎曲強度先

8、升高后降低，1600℃時強度最大為962MPa；拉伸強度保持不變，1600℃時強度為837MPa；而模量則逐步增大，1800℃時拉伸和彎曲模量分別為205GPa和131 GPa。T700/S iC的彎曲強度逐步降低，1400℃時強度最大為613MPa；拉伸強度先升高后降低，1600℃時強度最大為821MPa；而拉伸模量則逐步增大，彎曲模量保持不變，1800℃時拉伸和彎曲模量分別為140GPa和76.5GP a。T1000/S iC的彎曲

9、和拉伸強度逐步升高，1800℃時彎曲和拉伸強度最大分別為741MPa和950MPa；而拉伸模量則逐步增大，彎曲模量保持不變，1800℃時拉伸和彎曲模量分別為183GPa和106GPa。M40/S iC的彎曲和拉伸強度逐步降低，1400℃時彎曲和拉伸強度最大分別為820MPa和889 GPa；而拉伸模量則保持不變，1800℃時拉伸和彎曲模量分別為159GPa和102GPa。M55/S iC的彎曲強度逐步降低，1400℃時強度最大為899M

10、Pa；拉伸強度先升高后降低，1600℃時強度最大為950MPa；而模量保持不變，拉伸和彎曲模量分別為260GPa和113 GPa。
　　研究了3h、7 h和11 h CVD PyC涂層工藝對不同纖維的表面結(jié)構(gòu)以及 miniC/SiC復合材料力學性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。涂層時間對碳纖維表面微觀結(jié)構(gòu)影響巨大，溝槽結(jié)構(gòu)纖維的微觀結(jié)構(gòu)伴隨著涂層時間延長，3h幾乎沒涂層，7 h不連續(xù)涂層，11 h厚度0.1～0.2μm光滑、連續(xù)、均勻涂層。光

11、滑結(jié)構(gòu)纖維的微觀結(jié)構(gòu)，3h幾乎沒涂層，7 h不連續(xù)涂層，11h厚度約0.1μm粗糙、連續(xù)涂層。力學性能結(jié)果表明：隨涂層時間延長， T300/SiC的彎曲和拉伸強度先減小后增大，3h時彎曲和拉伸強度最大分別為617MPa和539MPa，模量先增大后減小，7 h時拉伸和彎曲模量最大為138GPa和81.7 GPa。T800/SiC的彎曲強度先增加后減小，7h時彎曲強度最大為791MPa，拉伸強度逐漸減小，3 h強度最大為591MPa，彎曲模

12、量逐漸增大，11h時模量最大為104 GPa，拉伸模量先增加后減小，7 h時模量最大為155GP。T700/SiC的彎曲強度先減小后增大，3 h時彎曲強度最大為675MPa，拉伸強度3h和7 h相差不大，11 h出現(xiàn)減小，3h強度最大為480MPa，3h和7h彎曲模量不變，11h模量最大為80.9GP，拉伸模量先增大后減小，7h時拉伸模量最大為117GPa。T1000/S iC的彎曲強度逐漸增大，11 h時彎曲強度最大為695MPa，拉

13、伸強度逐漸減小，3h強度最大為867MPa，3 h和7 h彎曲模量不變，11h模量最大為94.9GP，拉伸模量先增大后減小，7h時拉伸模量最大為141GPa。M40/S iC的彎曲和拉伸強度先增大后減小，7h時彎曲和拉伸強度最大分別為780MPa和423MPa，彎曲模量逐漸增大，11 h時最大為99.0GPa，拉伸模量保持不變，為140GPa。M55/S iC的彎曲和拉伸強度3h和7h保持不變，11 h彎曲強度增大，拉伸強度則出現(xiàn)降低，

14、11 h時彎曲強度最大為669MPa，7 h時拉伸強度最大為600MPa，彎曲和拉伸模量保持不變，分別約為240GPa和105 GPa。
　　研究了0h、0.5 h、1h和2 h空氣預氧化工藝對1400℃高溫處理的T700纖維表面結(jié)構(gòu)以及mini C/SiC復合材料力學性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響?？諝忸A氧化對纖維表面微觀結(jié)構(gòu)影響巨大。0.5h時表面幾乎沒有變化，1 h時表面出現(xiàn)一些軸向的細微紋路或溝槽，2h后部分區(qū)域出現(xiàn)細小的凹坑或鼓包