论文部分内容阅读
连续碳纤维增强碳化硅基复合材料(Cf/SiC)，具有轻质、高强度、高模量、耐冲击、耐高温以及良好的抗氧化性等特点，已成为目前最有前途的高温热结构材料之一，在航空航天领域有着广泛的应用前景。聚合物浸渍裂解工艺(PIP)由于其具备简单易操作，适用多尺度复杂尺寸成型等诸多优势，是一种常用的Cf/SiC复合材料制备工艺。而传统碳化硅前驱体-聚碳硅烷(PCS)浸渍需加溶剂、陶瓷产率低、致密化程度低的缺陷，给生产研究带来较高成本和时间。先驱体的选用直接决定材料的制备周期、孔隙率的大小，进而影响复合材料的性能。 本研究选用化学所工业化生产的新型液态聚碳硅烷(乙烯基取代全氢聚碳硅烷，VHPCS)作为碳化硅前驱体。研究了此种新型前驱体无机化过程，比较研究不同前驱体的复合材料的致密化效率。结合力学性能测试以及微观结构表征，研究前驱体VHPCS、不同的固化工艺、热解碳界面厚度对于Cf/SiC复合材料性能的影响。 首先通过引入交联剂，比较了不同交联剂对于VHPCS的低温交联的效果。确定了以1 wt％过氧化二异丙苯(DCP)作为交联剂，实现了VHPCS的120℃低温交联。采用傅里叶红外光谱(FT-IR)，分析了前驱体VHPCS的低温交联机理。DCP的引入，促进了某些交联反应的提前进行，低温下发生的交联反应为乙烯基逐步加聚反应、乙烯基和硅甲基自由基的反应。运用FT-IR、固态核磁共振波谱(SolidNMR)、热重差热扫描量热法(TG-DSC)等表征手段，分析了前驱体的无机化过程，在500℃固化前驱体发生剧烈的无机化过程，前驱体的无机化过程在900℃已基本完成。经过低温交联，裂解陶瓷致密无气孔，陶瓷产率83％，而未低温交联前驱体裂解陶瓷疏松多孔，陶瓷产率为73％。而在1600℃，裂解陶瓷发生明显的结晶化行为，陶瓷中的氧元素以CO、SiO等的形式放出，导致较大失重。 其次，以三维针刺碳纤维预制体为增强体，比较前驱体VHPCS、PCS的致密化效率。九个PIP周期后，VHPCS-Cf/SiC的开气孔率为6.3％，密度为2.13g/cm3。相比于PCS，VHPCS显示了在复合材料制备效率方面的巨大优势。同时VHPCS-Cf/SiC的抗弯强度为535.3±7.2MPa，弯曲模量为59.7±5.0GPa。通过计算机断层扫描技术(CT)，证实了PIP首周期对于复合材料性能的重要影响，阐明了材料中大孔形成机理。采用浸入固化工艺，材料在厚度方面无明显的密度梯度。 最后，制备了不同热解碳(PyC)界面厚度(300nm、500nm、850nm)的复合材料VHPCS-Cf/SiC，比较了界面厚度对于复合材料性能的影响。随着厚度增加，复合材料的整体性能降低，PyC厚度为850nm，复合材料拔出纤维最少。在氩气(Ar)气氛，不同温度下对材料进行热处理1h。随温度升高，基体逐渐结晶，复合材料的力学性能逐渐降低，拔出纤维的长度逐渐增加。1400℃热处理后复合材料具有最高的断裂韧性值。1600℃热处理材料经过PIP工艺再次致密化后，复合材料仍然具备与热处理前相当的力学性能。