【摘 要】
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碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC)具有高强度、低密度以及优良的耐热性能,是一种潜力巨大的复合材料,但是其制备难度大,工艺复杂,限制了其在众多领域的应用。先驱体浸渍-裂解法(PIP法)制备Cf/SiC具有较低的烧结温度,工艺简单且可以制备复杂构件,已成为当下研究热点。本文以聚硅乙炔(polysilyacelene,PSA)作为新型SiC陶瓷的先驱体,采用PIP法制备了 Cf/SiC复合材
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碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC)具有高强度、低密度以及优良的耐热性能,是一种潜力巨大的复合材料,但是其制备难度大,工艺复杂,限制了其在众多领域的应用。先驱体浸渍-裂解法(PIP法)制备Cf/SiC具有较低的烧结温度,工艺简单且可以制备复杂构件,已成为当下研究热点。本文以聚硅乙炔(polysilyacelene,PSA)作为新型SiC陶瓷的先驱体,采用PIP法制备了 Cf/SiC复合材料,研究了首周期加压固化工艺对复合材料力学性能和微观结构的影响;通过在碳纤维制备裂解碳层改善复合材料的界面结构,并且研究了其复合材料力学性能和微观结构的影响。本文首先对PSA先驱体进行了结构表征以及固化裂解行为分析,研究发现:PSA由甲基硅基团(-CH3SiH-)与炔基(-C≡C-)的交替链接;在200℃时,PSA可发生硅氢加成反应进行交联,Si-H键和炔基消失,形成复杂的体型交联结构;在1000℃高温热解后,Si-CH3键消失,PSA完全转化为非晶SiC陶瓷,此时陶瓷产率为73.92%;在1200℃时,非晶SiC开始转化为结晶态的3C-SiC。其次,通过PIP工艺,制备了 Cf/SiC复合材料,并在首周期进行加压固化,研究发现首周期加压前保温时间为15 min,加压压力为1 MPa,裂解升温速率为5℃/min时,经过9个PIP周期制备的Cf/SiC复合材料拥有最好的力学性能,抗弯强度达到112 MPa,密度为1.67 g/cm3。当加压前保温时间过长时,制备的Cf/SiC复合材料密度降低,材料内部出现大量闭气孔;而过大的加压压力也会导致内部基体和碳纤维的损伤,从而导致材料性能的降低;裂解升温速率过快,则会使纤维与基体之间的结合强度过大,降低了纤维拔出的能力。为改善纤维与基体之间的界面,本课题采用酚醛树脂作为碳源,在碳纤维与基体之间制备一层裂解碳界面,来降低纤维与基体之间过大的界面结合强度。通过PIP工艺进行裂解碳界面的制备,当PIP周期为3次时,制备的裂解碳界面最佳,既可以充分包覆碳纤维又不会因碳量过多导致纤维之间粘连严重。采用经过此界面层处理的碳纤维预制体,经过9个PIP周期制备的Cf/SiC复合材料抗弯强度为164 MPa,密度为1.56 g/cm3,力学性能得到了明显提高。
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