制备工艺对碳纤维增强碳化硅基复合材料结构和

［3］ ，因 此 影 响 了 纤 维 脱 应导致界 面 结 合 过 强 所 致
线。从中可以 看 出，经 过 碳 涂 层 预 处 理 的 试 样 (， 其初始密 度 比 其 他 两 组 试 样 低。这 主 要 是 因 为 碳 涂层经过 高 温 处 理，沉 积 碳 在 纤 维 编 织 体 内 部 的 分布状态 发 生 了 变 化，原 来 由 于 沉 积 碳 在 纤 维 之 间的粘连 导 致 的 闭 孔，在 高 温 处 理 过 程 中 形 成 开 孔，从而引起了试样 ( 密度的降低。也正因为试样 ( 中开孔率较大，使得随后聚碳硅烷浸渍更 容 易 进 行，经 过 一 个 周 期 浸 渍 2 裂 解，试 样 ( 的 密 度 就 超 过了其他两组试样，并最终获得了高的 致 密 度。试 样 ) 由于第 一 周 期 的 高 温 裂 解，使 得 聚 碳 硅 烷 裂 解更完全，在同等浸渍效率条件下，经过 一 个 周 期 浸渍 2 裂解，其密度低于试样 ’，但由于聚碳硅烷裂 解充分，不会在后续的裂解中形成闭孔，并 且 在 编 织体内部 形 成 较 大 的 连 孔，有 利 于 后 续 聚 碳 硅 烷 的浸渍，密度的提高，因此试样 ) 经过 3 个周期 的 浸渍 2 裂解，其密度就超过了试样 ’。从分析知，对 先驱体浸渍裂解工艺，前几个周期的浸 渍 效 率，对 复合材料致密度的高低是非常重要的。 ! "3 不同制备工艺对复合材料断裂模式的影响 图 ! 是不同工艺制备的复合材料断口形貌。从
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。对纤维增强复合材料来 说，材 料界 面
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对纤维的 脱 粘 拔 出，很 好 的 发 挥 纤 维 的 增 韧 作 用 是至关重要的。以往的研究表明 ，对 ( * +,( 复 合材料而言，对碳纤维进行表面涂层，以 及 工艺 方 面的改进，对于获 得 界 面 结 合 适 宜、 高性能的复合 材料是必不可少 的。本 文 研 究 了 碳 涂 层 "-## . 高 温处理，以及聚碳 硅 烷 第 一 周 期 "-## . 裂 解 对 复 合材料性 能 及 微 观 结 构 的 影 响，并 对 其 影 响 机 制 进行了剖析。
(EOPH+H ;IQRP8J IB R8RH 0H68J+ I?S = 5##/ # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # #
图!
不同工艺制备的复合材料断口形貌
（ "）试样 #； （ $）试样 %； （ &）试样 ’ ()* + ! ,-. /)&01*0"23 14 5"/2675 4"$0)&"879 1: 9)44707:8 2072"0"8)1:
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不同制备工艺条件制备的纤维断口微观形貌 （ "）试样 #； （ $）试样 %； （ &）试样 ’
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结果与讨论
不同制备工艺对复合材料性能的影响 以具有相 同 碳 涂 层 厚 度 的 碳 纤 维 三 维 编 织 体
为预制件，研究了 碳 涂 层 #$%% & 预 处 理 和 聚 碳 硅 烷第一周期 #$%% & 裂 解 对 复 合 材 料 性 能 的 影 响， 实验结果如表 # 所示。从表中可以 看 出，相 比 于 空 白试样 ’，试样 ( 和试样 ) 的性能都有不同程度的 提高，且以试样 ( 性 能 最 高。经 过 碳 涂 层 #$%% & 预处理工艺制备的试样 (，复合材料的弯曲 强 度 达 到 *+# ,-.， 剪 切 强 度 *# ,-.， 断 裂 韧 性 #/ ・0 ,-. ! "!
#1!
图# 9:4 " #
不同工艺制备的复合材料密度增长曲线 (;<= >?@A:BC >?D?@>:@4 E@ >:FF?G?@B DG?D.G.B:E@
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不同制备工艺对复合材料致密化速率的影响 图 # 是不 同 工 艺 制 备 的 复 合 材 料 密 度 增 长 曲 中可以看出，经过涂层 #$%% & 预处理的试样 (，复 合材料断 口 有 很 多 很 长 的 纤 维 拔 出，纤 维 起 到 了 很好的增 韧 作 用，且 材 料 内 部 未 观 察 到 明 显 的 孔 洞，材 料 比 较 致 密；采 用 常 规 工 艺 制 备 的 试 样 ’， 复合材料断口平滑，没有明显的纤维拔出，且材料 内部存在较 多 的 孔 洞，这 也 是 试 样 ’ 密 度 低 的 原 因；试样 ) 和试样 ’ 的断口形貌差不多，材料内部 形成了较 多 的 孔 洞，导 致 复 合 材 料 密 度 偏 低，其 次，材料断口基本无单丝纤维的拔出，不利于复合 材料断裂韧性 的 提 高。试 样 ’ 和 试 样 ( 断 口 形 貌 产生如此大 差 别 的 原 因，归 根 结 底 在 于 涂 层 #$%% & 预处理优化了沉积碳在碳纤维表面 的 分 布 状 态， 从而使得 沉 积 碳 均 匀 的 粘 附 在 碳 纤 维 表 面，不 至 于产生闭孔现象，有利于后续浸渍的进行，并提高 复合材料致密度；涂 层 #$%% & 预 处 理 弱 化 了 纤 维 和基体之 间 的 界 面 结 合，使 得 复 合 材 料 在 断 裂 载 荷作用下，纤 维 和 基 体 之 间 可 以 很 好 的 产 生 脱 粘 和拔出，充分发挥纤维的增强增韧作用。试样 ) 中 纤维和基 体 结 合 紧 密，断 口 纤 维 拔 出 都 以 成 束 拔 出为主，这 主 要 是 因 为 纤 维 和 基 体 之 间 的 化 学 反
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科技大学 (B( 重 点 实 验 室 合 成，软 化 点 为 5"$ : 55$ . 。以二 甲苯为 溶剂溶 解聚 碳硅烷，二者 配 比 聚碳硅烷 C 二甲苯 D /# C /# （A） 。采用化学气 相沉积 工艺制备 复 合 材 料 碳 涂 层，再 经 先 驱 体 聚 碳 硅 烷 浸渍 & 裂解工艺制备 () * +,( 复 合 材 料。化 学 气 相 沉 积碳涂层 在 中 南 大 学 粉 末 冶 金 研 究 院 进 行，以 丙 烯 （ (% E- ） 为碳源气体，沉积温度 F5# . ，涂 层厚度 " =5 ! 4。试样 8 经碳涂层后，以先驱体聚碳硅烷浸 渍& 裂解 "# 个 周 期 得 复 合 材 料；试 样 7 经 碳 涂 层 后，先 经 过 "-## . 高 温 预 处 理，然 后 经 先 驱 体 聚 碳硅烷浸渍 & 裂解 "# 个周期得复合材料；试 样 ( 经 碳涂层后，先 驱 体 聚 碳 硅 烷 浸 渍 & 裂 解 第 一 个 周 期 采用 "-## . 高 温 裂 解，其 余 F 个 周 期 同 上，采 用 "5## . 裂解。采 用 阿 基 米 德 排 水 法 测 定 复 合 材 料 密度。(++&""#" 电子万能实验机测试试样的室温力 学性能：弯曲强 度、 剪 切 强 度 和 断 裂 韧 性。测 试 标 准： 弯 曲 强 度： 跨 高 比 "# ， 加 载 速 率 # = / ・4,G 9 " ；剪 切 强 度：跨 高 比 为 / ，加 载 速 率 # = / 44 ・4,G 9 " ；断裂韧 性：跨 高 比 为 ! ，加 载 速 率 # = " 44 ・4,G 9 " ，切 口 深 度 试 样 高 的 一 半；复 合 材 料 力 44 学性能取 / 根试样条性能的平均值。将复合材料试 样断口喷 金 后，用 ;+0&/-## （ ;HIJ ） 型扫描电镜观 察试样断口形貌及纤维拔出情况。
! 收稿日期：5##/ 9 #$ 9 %" ；修订日期：5##/ 9 #3 9 55
基金项目：国家 3-% 计划资助项目（ 5##588%#/"#5） 作者简介：周长城（ "F3# 9 ） ，男，甘肃武威人，博士研究生；研究方向：陶瓷基复合材料 " 通讯联系人（ H&42,M：GTUSV?? W "-% = ?L4）
表! 不同工艺制备的复合材料性能 ’&()*(+#,-& *) &#-. /#+0%&
密度 1 （4 ・50 6 3 ） # " $7 # " ++ # " +8 弯曲强度 1 ,-. ##! *+# 3#7 剪切强度 1 ,-. ## *# !7 断裂韧性 1 （ ,-. ・0# 1 ! ） 8 #/ #3
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本研究所用碳纤维是吉林碳 素 厂生 产 的 ;(&"< 碳纤维，密度 " = $- > ・?4 9 % ，强度 %### : %%## 012， 模量 5"# @12。由南京 玻 璃 纤 维 研 究 院 采 用 两 步 法 编织成三维碳纤维编织体，纤维织构三维 五 向，纤 维体积分数 /% = - A 。先驱体 聚碳硅 烷 （ 1(+） 由国防
关键词：碳涂层；碳纤维增强碳化硅；高温处理；先驱体浸渍裂解 中图分类号：67%5% 文献标识码：8 文章编号： （5##/） #5/3 9 $#$#/ 9 #--- 9 #!
碳纤维增强碳化硅基 复合材 料 以 其 低 密 度、 高 强度、 高温稳定性 及 优 异 的 抗 氧 化 性 能，被 广 泛 地 应用于航空航天等各个领域