快速化學(xué)液相沉積法制備抗氧化C-,f--C復(fù)合材料及其焊接性研究.pdf

1、20世紀(jì)80年代以來(lái)，Cf/C復(fù)合材料以其密度低、高比強(qiáng)度、耐磨、耐燒蝕等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于航天航空、化工、醫(yī)用等領(lǐng)域，但是Cf/C復(fù)合材料制造成本昂貴、高溫抗氧化性差和復(fù)雜成型預(yù)制體制作難度大等因素制約了其多領(lǐng)域應(yīng)用。 本文利用快速化學(xué)液相沉積（Rapid Chemical Liquid Deposition，簡(jiǎn)稱RCLD法）專利技術(shù)，快速制備出密度達(dá)1．7g/cm3以上的Cf/C復(fù)合材料，分別采用濃硝酸、電化學(xué)對(duì)預(yù)制體碳纖維表

2、面進(jìn)行改性；利用SEM分析和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)試，對(duì)比了兩種改性方法對(duì)Cf/C復(fù)合材料組織及性能的影響，獲得了試驗(yàn)條件中較理想的碳纖維“溫和”處理工藝條件：電化學(xué)處理，1．2V，5分鐘。 研究了不同密度的預(yù)制體和不同的沉積時(shí)間對(duì)Cf/C復(fù)合材料密度及結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：基體碳圍繞纖維呈同心圓層狀排列，層數(shù)的多少和厚度與預(yù)制體的密度有關(guān)，碳纖維之間依靠基體碳連接。Cf/C復(fù)合材料的密度與沉積時(shí)間有關(guān)，對(duì)于密度為0．12和0．58g/

3、cm3的預(yù)制體，沉積時(shí)間達(dá)到4h之前，材料密度隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大的速度較快，4h～5h之間，材料密度增大很小，5h～6h之間，材料的密度基本保持不變；對(duì)于密度為0．66g/cm3的預(yù)制體，在3h～6h過(guò)程中，材料的密度一直呈增大趨勢(shì)。Cf/C復(fù)合材料的密度與預(yù)制體密度有關(guān)，在相同的沉積時(shí)間下，材料的密度隨預(yù)制體密度的增加而變小。 測(cè)試了Cf/C復(fù)合材料的電阻率和肖式硬度，電阻率介于87．5Ω·μm～119．5Ω·μm，平均值為10

4、3．5Ω·μm；當(dāng)預(yù)制體密度為0．12g/cm3、0．58g/cm3、0．66g/cm3時(shí)，Cf/C材料的肖式硬度分別為78HSD、90HSD、96HSD。 使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)量了Cf/C復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，最大值分別為122．51MPa和102．57MPa。通過(guò)分析研究了Cf/C復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度的變化規(guī)律以及Cf/C復(fù)合材料的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征。SEM觀察Cf/C復(fù)合材料斷面特征，分析了Cf/C復(fù)合材料彎曲斷裂

5、機(jī)制。結(jié)果顯示，Cf/C復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度隨預(yù)制體密度的增加而增大；界面結(jié)合能力強(qiáng)的材料呈現(xiàn)脆性斷裂特征，界面結(jié)合適中的材料出現(xiàn)假塑性效應(yīng)。 利用二次沉積法，在Cf/C復(fù)合材料外層沉積含C和S化物的復(fù)合層，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)二次沉積工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，確定了優(yōu)化參數(shù)：硅油作為二次沉積原料中的硅源，硅油質(zhì)量百分含量為20％，控制器單位電壓升起時(shí)間為60分鐘。密度最大達(dá)1．94g/cm3；顯氣孔率最大為17．07

6、％。研究發(fā)現(xiàn)：材料密度越大，其顯氣孔率越小。利用XRD、SEM及EDS等分析手段研究了Cf/C-Si系化合物復(fù)合材料物相形態(tài)和分布，結(jié)果表明：Si化物和碳共沉積到Cf/C材料外表面和表層孔隙中。測(cè)量了Cf/C-Si化物復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，Cf/C-Si化物復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度最大為119．54MPa，相比Cf/C復(fù)合材料大約降低5％～10％；抗壓強(qiáng)度最大為80．02MPa，相比Cf/C復(fù)合材料大約降低10％～15％。利用熱失重、DS

7、C及氧化動(dòng)力學(xué)等分析手段，研究了Cf/C-Si化物復(fù)合材料在空氣中的氧化行為。研究發(fā)現(xiàn)，Cf/C-Si化物復(fù)合材料相比Cf/C復(fù)合材料其抗氧化性能提高4～5倍。 利用熱失重法、DSC分析及氧化動(dòng)力學(xué)理論，研究了Cf/C-Si化物復(fù)合材料在空氣中的氧化行為。結(jié)果表明，Si化物顯著地占據(jù)了Cf/C復(fù)合材料表層的反應(yīng)活化點(diǎn)，有效地阻礙了氧的擴(kuò)散氧化作用，使Cf/C復(fù)合材料的氧化起始溫度達(dá)到684．0℃。 研究了氧化效應(yīng)對(duì)Cf/

8、C復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)和宏觀尺度的影響。各溫度點(diǎn)下的等溫氧化失重曲線均服從線性規(guī)律，隨著溫度的升高，氧化失重率呈增加趨勢(shì)。結(jié)合SEM，分析了預(yù)制體密度對(duì)Cf/C復(fù)合材料氧化微觀形貌的影響，研究了預(yù)制體密度對(duì)Cf/C復(fù)合材料失重率的影響。研究表明：熱解碳更易于被氧化，隨著預(yù)制體密度的增加，Cf/C復(fù)合材料的氧化失重率減小，抗氧化性增強(qiáng)。 采用真空釬焊法對(duì)Cf/C復(fù)合材料的釬焊進(jìn)行了研究。分析了Cf/C復(fù)合材料/Cu-Ti/Cf/C復(fù)

9、合材料的真空釬焊接頭的界面組織結(jié)構(gòu)、室溫力學(xué)性能，以及不同的工藝參數(shù)等對(duì)界面組織和力學(xué)性能的影響，建立了Cf/C復(fù)合材料釬焊過(guò)程的物理模型。以Cu為基體，設(shè)計(jì)了不同配比的Cu-Ti釬料。對(duì)不同配比的釬料，采用座滴試樣的比接觸面積法，測(cè)試了釬料對(duì)Cf/C復(fù)合材料的潤(rùn)濕性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著Ti含量的增加，釬料對(duì)Cf/C復(fù)合材料的潤(rùn)濕性能顯著提高。當(dāng)Ti含量在15％時(shí)，釬料的潤(rùn)濕性最好，鋪展面積最大。熔化釬料中的活性元素Ti向接觸面偏聚，

10、反應(yīng)生成TiC，這樣會(huì)降低液態(tài)金屬與Cf/C復(fù)合材料的界面能，促進(jìn)潤(rùn)濕。當(dāng)Ti含量過(guò)少時(shí)，C與Ti在界面反應(yīng)生成的化合物太少而且不均勻，使得釬料的潤(rùn)濕性變差。而Ti含量過(guò)高時(shí)，生成大量β-TiCu4化合物，潤(rùn)濕性變差。 利用Cu-Ti釬料釬焊時(shí)，接頭區(qū)域的組織為Cf/C、TiC、Cu-Ti共晶組織（β-TiCu4+α-Cu），依據(jù)所發(fā)現(xiàn)的界面結(jié)構(gòu)，提出了界面結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理和界面形成過(guò)程模型。 試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)釬焊工藝參數(shù)