Cf-SiCf-Al2O3p增强铝硅酸盐聚合物基复合材料的高温性能

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:woyingla
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本文采用料浆浸渍纤维预制片工艺制备了不同长度碳化硅纤维与定长碳纤维混杂增强的铝硅酸盐聚合物(Cf-SiCf/KGP)复合材料以及与-Al2O3颗粒复合增强的铝硅酸盐聚合物(Cf-SiCf-Al2O3p/KGP)复合材料。通过对比两种复合材料在高温空气暴露、高温陶瓷化和高温力学性能测试后的组织结构与力学性能,重点研究了复合材料的高温性能,与此同时,探讨了Al2O3p对Cf-SiCf/KGP复合材料力学性能和断裂行为影响的变化规律。研究表明,与基体材料相比,采用短切碳纤维和碳化硅纤维掺杂增强复合材料的常温力学性能有了显著的提高。特别是碳化硅纤维长度为1mm的Cf-SiCf/KGP复合材料,其抗弯强度、弹性模量、断裂韧性、断裂功显著提高,分别约为基体的5.7倍、1.9倍、5.1倍和69.7倍。Al2O3p的加入使得复合材料的抗弯强度和弹性模量有了进一步的提高,但断裂韧性和断裂功略有降低。具体地,碳化硅纤维初始长度为1mm的Cf-SiCf-Al2O3p/KGP复合材料,其抗弯强度、弹性模量、断裂韧性、断裂功分别约为基体的6.4倍、2.9倍、4.2倍和59.6倍。对Cf-SiCf-Al2O3p/KGP复合材料而言,Al2O3p的引入提高了复合材料的表观密度和弹性模量,同时降低了复合材料的高温收缩率。但是Al2O3p的引入对抗弯强度的影响并不总是积极的:实验表明,800°C时,Al2O3p的引入提高了Cf-SiCf/KGP复合材料的抗弯强度,但当测试温度为1000°C或者更高时,Al2O3p的引入反而使Cf-SiCf/KGP复合材料得抗弯强度降低。高温空气暴露后,复合材料中的碳纤维在800°C时就已完全氧化,复合材料的力学性能急剧下降,但较之单独碳纤维增强的铝硅酸盐聚合物复合材料,碳纤维与碳化硅纤维混合强韧的铝硅酸盐聚合物基复合材料显现了一定的优势,碳化硅纤维发挥了强韧作用,维持了复合材料的整体性。以Cf-SiCf/KGP复合材料为例,800°C时保持着与初始状态相当的力学性能,1000°C~1200°C时,保持着初始强度的60%左右。对比高温空气暴露、高温陶瓷化、高温力学性能测试后复合材料的物相和形貌可以发现,Al2O3p对延迟基体的物相转变,减缓纤维与基体之间的界面反应具有一定的积极作用;氧气对基体物相转变、基体与纤维的界面结合都有很强的促进作用。常温下复合材料的断裂方式均为典型的非灾难性的伪塑性断裂,试样表现出藕断丝连的现象。高温空气暴露后,800°C时复合材料的断裂方式已经发生改变,转变为脆性断裂;高温陶瓷化及高温力学性能测试的试样在1200°C时,其断裂方式才转变为脆性断裂。综上所述,颗粒、纤维混合增强铝硅酸盐聚合物复合材料的力学性能与断裂行为不仅与增强体自身的性能有关,还与基体的强度以及基体-增强体间的界面结合强度密切相关。-Al2O3颗粒的引入提高了基体的强度,实现了颗粒与纤维的协同增韧强化。纤维与基体结合强度增加,在一定范围内也可提高复合材料的强度,但当结合强度过高时,使得纤维的脱粘、拔出等增韧机制减弱,反而会降低复合材料的断裂功,甚至造成材料的灾难性断裂。高温氧化条件下,碳纤维完全氧化,但碳化硅纤维发挥了作用,保证了复合材料的整体性,这大大提高了复合材料的应用范围。
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