界面涂层对碳纤维增强锂铝硅玻璃陶瓷复合材料力学性能影响的研究
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第 ３７卷 第 ２期 ２０１８年 ２月
硅 酸 盐 通 报
ＢＵＬＬＥＴＩＮ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＥＳＥ ＣＥＲＡＭＩＣ ＯＣＩＥＴＹ
Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１８
界 面 涂 层 对 碳 纤维 增 强锂 铝 硅 玻璃 陶瓷 复 合 材 料 力 学 性 能 影 响 的研 究
锂 铝硅 玻璃 陶 瓷 晶化程 度 高 （７０％ 以上 ），又具 有超 细 的微 晶结构 ，并且 质地 均 匀 致 密 ，因 而机 械 力学性 能 优 良。锂 铝硅 玻璃 陶瓷 的机械 强度 比一般玻 璃 高 的多 ，抗 弯 强度 一般 为 １００～２００ ＭＰａ。由 于锂 铝硅 玻璃 陶瓷 的种种 优异 特性 ，使 其 在许 多领 域得 到 了广 泛的应 用 。
碳 纤维 是 具有 高强 度 、高模 量 、低 伸 长 、低 密度 ，高耐磨 性 以及导 电性 能 ’ ｍ】。近 几 十年 来碳 纤 维 的生 产 向高 强度 、高模 量方 向发 展 ，已生 产 出高模 量 碳纤维 （ＨＭ）、超 高 模量 碳纤 维 、高强 度 碳纤 维 （ＨＳ），超 高强 度 碳 纤维 和高 强 度 、高 模量 碳纤 维 。连续 碳 纤维增 强 陶 瓷基 复 合材 料具 有 高 温 强 度 高 、高断 裂 韧性 、密 度 低 等 优 点而 非常 有 希 望 应 用 于航 空 航 天 领 域 的 高 温 结 构 部 件 。在 这 些 复 合 材 料 中 ，碳 纤 维 增 强 碳 复 合 材 料 （ｃａｒｂｏｎ ｆ ｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｃｆ／Ｃ）和 碳纤 维 增 强 ＳｉＣ 陶 瓷 基 复 合 材 料 （ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｃｆ／ＳｉＣ）已得 到实 际应 用 … 。使用 这类 碳纤 维 去加强 锂 铝硅玻 璃 陶瓷 的研 究较 少 。 本 文重 点讨 论碳 纤维 表 面处 理对 碳纤 维增 强 锂铝 硅玻璃 陶瓷 复合材 料 的力学性 能 的影 响 。
于长清 ，裴雨辰 ，陈 利
（１．天津工业 大学复合材料研 究所 ，先 进纺织 复合材料 教育部 重点 实验室 ，天津 ３００１６０ ２．中国航天科工集团三院 ３０６所 ，北 京 １０００７４）
摘要 ：采 用溶胶凝胶法在碳纤维表 面制备 了 Ｌｉ：Ｏ／ＳｉＯ：涂层 ，采 用 ＸＲＤ技 术对其 层间结 构进行 了表 征。结果表 明
基金项 目：国家重点基础研究发展计划 （２０１３ＣＢ０３６００１）；国家 自然科学基金 （５１１７２０９８） 作者简介 ：于长清 （１９８０一），男 ，博士研究生．主要从事陶瓷基复合材料研究． 通讯作者 ：陈 利 ，教授 ，博导．
６７８ 试 验 与 技 术
硅 酸 盐 通 报
第 ３７卷
ｗｉｔｈ ａ ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｂ—ｓｐｏｄｕｍｅｎｅ ｍａｔｒｉｘ ｔｏ ｔｈｅ
ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ． ｗｈｉｃｈ ｌｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ． Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｃｆ／ＬＡＳ ｗｅｒｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｘｔｕｒｅｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ ｃｏｍ ｐｏｕｎｄｓ． Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ；ｓｏｌ－ｇｅｌ ｍｅｔｈｏｄ；ｇｒａｐｈｉｔｅ ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｕｎｄ；ＬＡＳ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ Ｌｉ２ Ｏ／ＳｉＯ２ ｃｏａｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｕｓｉｎｇ ｓｏｌ—ｇｅｌ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｌｉ２ Ｏ／ＳｉＯ２ ｃｏａｔｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｌａｙｅｒ ｓ
ＹＵ Ｃｈａｎｇ．ｑｉｎｇ ，ＰＥＩ Ｙｕ．ｃｈｅｎ ，ＣＨＥＮ Ｌｉ （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｅａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１６０，Ｃｈｉｎａ； ２．３０６ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｈｅ Ｔｈ ｉｒｄ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏｒｐ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７４，Ｃｈｉｎａ）
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１００１—１６２５（２０１８）０２－０６７７－０５
Ｅｆｅｃｔ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ Ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ａｌｕｍ ｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｃｏｍ ｐｏｓｉｔｅｓ
在所得碳纤维 的表 面层形成 了二阶的插层结构 的石 墨层 间化合 物 ，聚丙烯腈基碳 纤维作 宿主 ，锂 离子作插 层剂 的 ，
该插层化合物 的生成提 高了碳纤维增强锂铝硅玻璃 陶瓷 复合 材料的抗弯强度 。
关键词 ：碳纤 维 ；溶胶凝胶法 ；插层化合物 ；锂铝 硅
中图分类号 ：ＴＱ１７４
１ 引 言
环境温度的变化 ，会引起材料 的膨胀与收缩 ，在材料 中产生热应力 ，会影响材料使用 ，严重者甚至导致材 料 失效 。锂 铝硅 体 系 的玻璃 陶瓷 ，具有 超低 膨胀 性 ，经过 精 心设计 可 使其 在某 一温 度范 围内达 到零膨 胀 ¨４。。 锂 铝硅 玻璃 陶瓷 具 有低 的膨 胀性 ，从 而带来 其卓 越 的抗 热 冲 击能 力 。零 膨胀 玻 璃 陶瓷 的零 膨 胀 性 能对 提 高 航 空航 天结 构 和 电子设备 等 的热 几何 稳 定 性 有 重要 意义 Ｊ。锂 铝硅 玻 璃 陶瓷 在 较 大 的 范 围 内具 有 低 膨 胀 甚 至零 膨胀 的特 殊性 能 和较 高 的透过 率而 被广 泛研 究 和应用 。此 外 锂铝 硅玻 璃 陶瓷还 具有 许 多其 它宝 贵 的 性能 ：如膨胀系数变化范围大 、机械强度高 、化学稳定性及热稳定性好 、使用温度高及坚硬耐磨等 引。由于
硅 酸 盐 通 报
ＢＵＬＬＥＴＩＮ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＥＳＥ ＣＥＲＡＭＩＣ ＯＣＩＥＴＹ
Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１８
界 面 涂 层 对 碳 纤维 增 强锂 铝 硅 玻璃 陶瓷 复 合 材 料 力 学 性 能 影 响 的研 究
锂 铝硅 玻璃 陶 瓷 晶化程 度 高 （７０％ 以上 ），又具 有超 细 的微 晶结构 ，并且 质地 均 匀 致 密 ，因 而机 械 力学性 能 优 良。锂 铝硅 玻璃 陶瓷 的机械 强度 比一般玻 璃 高 的多 ，抗 弯 强度 一般 为 １００～２００ ＭＰａ。由 于锂 铝硅 玻璃 陶瓷 的种种 优异 特性 ，使 其 在许 多领 域得 到 了广 泛的应 用 。
碳 纤维 是 具有 高强 度 、高模 量 、低 伸 长 、低 密度 ，高耐磨 性 以及导 电性 能 ’ ｍ】。近 几 十年 来碳 纤 维 的生 产 向高 强度 、高模 量方 向发 展 ，已生 产 出高模 量 碳纤维 （ＨＭ）、超 高 模量 碳纤 维 、高强 度 碳纤 维 （ＨＳ），超 高强 度 碳 纤维 和高 强 度 、高 模量 碳纤 维 。连续 碳 纤维增 强 陶 瓷基 复 合材 料具 有 高 温 强 度 高 、高断 裂 韧性 、密 度 低 等 优 点而 非常 有 希 望 应 用 于航 空 航 天 领 域 的 高 温 结 构 部 件 。在 这 些 复 合 材 料 中 ，碳 纤 维 增 强 碳 复 合 材 料 （ｃａｒｂｏｎ ｆ ｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｃｆ／Ｃ）和 碳纤 维 增 强 ＳｉＣ 陶 瓷 基 复 合 材 料 （ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｃｆ／ＳｉＣ）已得 到实 际应 用 … 。使用 这类 碳纤 维 去加强 锂 铝硅玻 璃 陶瓷 的研 究较 少 。 本 文重 点讨 论碳 纤维 表 面处 理对 碳纤 维增 强 锂铝 硅玻璃 陶瓷 复合材 料 的力学性 能 的影 响 。
于长清 ，裴雨辰 ，陈 利
（１．天津工业 大学复合材料研 究所 ，先 进纺织 复合材料 教育部 重点 实验室 ，天津 ３００１６０ ２．中国航天科工集团三院 ３０６所 ，北 京 １０００７４）
摘要 ：采 用溶胶凝胶法在碳纤维表 面制备 了 Ｌｉ：Ｏ／ＳｉＯ：涂层 ，采 用 ＸＲＤ技 术对其 层间结 构进行 了表 征。结果表 明
基金项 目：国家重点基础研究发展计划 （２０１３ＣＢ０３６００１）；国家 自然科学基金 （５１１７２０９８） 作者简介 ：于长清 （１９８０一），男 ，博士研究生．主要从事陶瓷基复合材料研究． 通讯作者 ：陈 利 ，教授 ，博导．
６７８ 试 验 与 技 术
硅 酸 盐 通 报
第 ３７卷
ｗｉｔｈ ａ ｍｕｌｔｉ—ｌａｙｅｒ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｂ—ｓｐｏｄｕｍｅｎｅ ｍａｔｒｉｘ ｔｏ ｔｈｅ
ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ． ｗｈｉｃｈ ｌｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ． Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｃｆ／ＬＡＳ ｗｅｒｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｘｔｕｒｅｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ ｃｏｍ ｐｏｕｎｄｓ． Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ；ｓｏｌ－ｇｅｌ ｍｅｔｈｏｄ；ｇｒａｐｈｉｔｅ ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｕｎｄ；ＬＡＳ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ Ｌｉ２ Ｏ／ＳｉＯ２ ｃｏａｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｕｓｉｎｇ ｓｏｌ—ｇｅｌ ｍｅｔｈｏｄ． Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ ａｎｄ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｌｉ２ Ｏ／ＳｉＯ２ ｃｏａｔｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｌａｙｅｒ ｓ
ＹＵ Ｃｈａｎｇ．ｑｉｎｇ ，ＰＥＩ Ｙｕ．ｃｈｅｎ ，ＣＨＥＮ Ｌｉ （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｅａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１６０，Ｃｈｉｎａ； ２．３０６ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｈｅ Ｔｈ ｉｒｄ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏｒｐ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７４，Ｃｈｉｎａ）
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１００１—１６２５（２０１８）０２－０６７７－０５
Ｅｆｅｃｔ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ Ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ａｌｕｍ ｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｃｏｍ ｐｏｓｉｔｅｓ
在所得碳纤维 的表 面层形成 了二阶的插层结构 的石 墨层 间化合 物 ，聚丙烯腈基碳 纤维作 宿主 ，锂 离子作插 层剂 的 ，
该插层化合物 的生成提 高了碳纤维增强锂铝硅玻璃 陶瓷 复合 材料的抗弯强度 。
关键词 ：碳纤 维 ；溶胶凝胶法 ；插层化合物 ；锂铝 硅
中图分类号 ：ＴＱ１７４
１ 引 言
环境温度的变化 ，会引起材料 的膨胀与收缩 ，在材料 中产生热应力 ，会影响材料使用 ，严重者甚至导致材 料 失效 。锂 铝硅 体 系 的玻璃 陶瓷 ，具有 超低 膨胀 性 ，经过 精 心设计 可 使其 在某 一温 度范 围内达 到零膨 胀 ¨４。。 锂 铝硅 玻璃 陶瓷 具 有低 的膨 胀性 ，从 而带来 其卓 越 的抗 热 冲 击能 力 。零 膨胀 玻 璃 陶瓷 的零 膨 胀 性 能对 提 高 航 空航 天结 构 和 电子设备 等 的热 几何 稳 定 性 有 重要 意义 Ｊ。锂 铝硅 玻 璃 陶瓷 在 较 大 的 范 围 内具 有 低 膨 胀 甚 至零 膨胀 的特 殊性 能 和较 高 的透过 率而 被广 泛研 究 和应用 。此 外 锂铝 硅玻 璃 陶瓷还 具有 许 多其 它宝 贵 的 性能 ：如膨胀系数变化范围大 、机械强度高 、化学稳定性及热稳定性好 、使用温度高及坚硬耐磨等 引。由于