短碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料的制備及其斷裂機(jī)理研究.pdf

1、繼鈹、玻璃、鋁合金和微晶玻璃等光學(xué)材料之后，成本低廉、性能穩(wěn)定的碳化硅基復(fù)合材料成為空間反射鏡的候選材料。然而，碳化硅陶瓷，因其固有脆性問題是制約其在極端環(huán)境下應(yīng)用的重要因素，纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝是解決這一問題的有效手段。本研究將力學(xué)性能優(yōu)異的短碳纖維引入到 SiC基復(fù)合材料中，制備出低比重、高韌性的短碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料，為極端環(huán)境下空間望遠(yuǎn)鏡用碳化硅基復(fù)合材料的應(yīng)用提供技術(shù)支持。
　　利用濕法球磨技術(shù)制備了

2、Cf/SiC復(fù)合材料的預(yù)混料。球磨的運(yùn)用有利于SiC粉體細(xì)化和碳纖維在基體內(nèi)均勻分散，確定最佳球磨工藝參數(shù)，其參數(shù)為球磨速度為180rpm、球磨時(shí)間8h、球料比為4:1。還研究了碳纖維含量對(duì)其在Cf/SiC復(fù)合材料內(nèi)分散性的影響。碳纖維含量大于30％時(shí)，短碳纖維存在空間架橋效應(yīng)。當(dāng)碳纖維含量低于30%時(shí)，碳纖維分散較均勻。
　　研究了 Al2O3/Y2O3、Al2O3/La2O3、AlN/Y2O3和La2O3/Y2O3等四種燒結(jié)助

3、劑系統(tǒng)下熱壓 Cf/SiC復(fù)合材料中助劑比例和力學(xué)性能之間關(guān)系。結(jié)果表明，這四種材料體系下在1900℃和保溫1h條件下都能獲得相對(duì)密度較高的復(fù)合材料。在燒結(jié)助劑含量相同條件下，在 Al2O3/Y2O3和Al2O3/La2O3助劑系統(tǒng)中，碳纖維的損傷較小。在 AlN/Y2O3和La2O3/Y2O3助劑系統(tǒng)中，碳纖維損傷嚴(yán)重。還研究了這四種體系下 Cf/SiC復(fù)合材料的增韌機(jī)理，主要包括顆粒橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維拔出和微裂紋增韌等機(jī)制，在不同

4、助劑體系中纖維拔出增韌效果不同。
　　研究了熱處理工藝對(duì) Al2O3/Y2O3、Al2O3/La2O3和La2O3/Y2O3三個(gè)燒結(jié)助劑系統(tǒng)下熱壓Cf/SiC復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。當(dāng)熱處理溫度高于1850℃和保溫時(shí)間超過2h時(shí)，在 Al2O3/Y2O3系統(tǒng) Cf/SiC復(fù)合材料中SiC顆粒生長(zhǎng)明顯和碳纖維損傷嚴(yán)重。在 Al2O3/Y2O3和La2O3/Y2O3體系中，纖維拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)和顆粒橋聯(lián)是主要增韌方式。Al2O3/La2

5、O3系統(tǒng) Cf/SiC復(fù)合材料在1750℃熱處理1h后，在材料內(nèi)發(fā)現(xiàn)原位生成 SiC納米線和大量位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，這將導(dǎo)致熱處理后該材料力學(xué)性能明顯提高，其強(qiáng)度和韌性分別為395MPa和7.42MPa·m1/2。纖維拔出、微裂紋增韌和納米線增韌等機(jī)制是該體系材料力學(xué)性能提高的原因。
　　對(duì) Al2O3/La2O3體系 Cf/SiC復(fù)合材料進(jìn)行熱處理后，在其內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了原位生成的SiC納米線。研究了熱處理溫度和保溫時(shí)間對(duì) Al2O3/La2O

6、3系統(tǒng) Cf/SiC復(fù)合材料內(nèi)原位生成 SiC納米線的影響，確定了 SiC納米線原位增韌 Cf/SiC復(fù)合材料制備的最佳工藝參數(shù)，其參數(shù)是熱處理溫度為1750℃和保溫時(shí)間1h。SiC納米線的生長(zhǎng)機(jī)制包括“氣-液-固”機(jī)制和“氧化物輔助生長(zhǎng)”機(jī)制。通過控制工藝參數(shù)，可以制備不同形狀的SiC納米線，SiC納米線主要包括直線狀和分叉結(jié)構(gòu)。該分叉納米線在 Cf/SiC復(fù)合材料內(nèi)形成空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于提高該體系 Cf/SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能