碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料
碳纤维陶瓷基复合材料
2005年由中南大学黄伯云院士等研制成功的碳 纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料飞机刹车片结束了 国家技术发明一等奖连续六年空缺的历史
2、热保护系统的应用
根据碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料耐 热、耐高温、密度低的特点可以用来制造防 热体系。
热结构材料的构件：航天飞机和导弹的鼻 锥、导翼，机翼和盖板等
碳纤维增强碳Βιβλιοθήκη 硅陶瓷基复合材料生物复合材料
根据增强体形态的不同
根据基体材料的不同
颗 粒 增 强 型
纤 维 增 强 型
编 织 结 构 增 强
型
高 分 子 基
金 属 基
陶 瓷 基
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料
碳化硅陶瓷因具有高强度、高硬度、抗腐蚀、耐 高温和低密度而被广泛用于高温等某些苛刻的环境 中，尤其在航空航天飞行器需要承受极高温度的特 殊部位具有很大的魅力。
3、高温连接件的应用
主要应用于连接固定热的外表面和航 空框架结构中制冷的衬垫，及用作密封装置。 已经被制成螺钉和其他连接件。
4、光学和光机械结构中的应用
已经用于制造超轻反射镜、微波屏蔽反射 镜等光学结构部件及光学系统中的结构材料 及反射镜支撑体系，如反射镜底座。
此外碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料还 用于高速飞行器和高速汽车、火车上的刹车 系统。超高音速飞行器中，在原子能反应堆 中可用做核燃料的包封材料，还可用作火箭 尾喷管的喷嘴及飞机驾驶员防弹用品等领域。
2011年8月20~21日第二届NRC北方赛道 嘉年华的活动中，有一个全新的刹车品牌 Rotora出现在北京金港赛道上。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料综合了碳纤维 优异的高温性能和碳化硅基体高抗氧化性能，受到 了世界各国的高度关注，并广泛应用在航空、航天、 光学系统、交通工具等领域。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展
33一、引言随着现代科学和技术的发展，许多新的空间能源和技术领域，特别是航空、军事或尖端科学领域，如发动机、航空航天热保护系统、原子能，在新材料需求量最大的领域，特别是高温物质结构，其密度低，高强度高，耐久性高，耐高温，耐腐蚀性能。
例如，航空发动机主要依赖进口温度前的涡轮机，而进口温度前的涡轮机被认为在10度时，涡轮机的顶部涡轮机最高可达1 650℃。
在这种高温下，传统的超合金材料已不再符合要求，因此研究人员的研究重点转到了碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。
二、复合材料的研究进展1.复合材料的制备工艺（1）CVI工艺CVI是在CVD基础上进行研究的。
主要的准备过程是：第一，碳纤维预制件放在一个密闭的反应室里，采用高温环境下的蒸汽渗透法将反应气体过滤到预制件内或表面，以产生陶瓷基质的化学反应。
就CF/SIC化合物而言，CVI的准备工艺通常以诸如MTS、TMS、H 2和AR 等反应气体为基础，这些气体在高温抽取，以便在碳纤维预制件上储存陶瓷sic 基体。
这种工艺的优点是: 合成陶瓷基本材料通常是在低于基底熔点的温度下制备的，纤维与基底之间不会发生高温化学反应，材料中的残留电压很小，纤维本身的损害较小，因此，它可以确保复合材料结构的完整性；它能够以复杂的方式用一个很大的纤维体积部分加工CF/SIC复合材料。
主要缺点是: 随着渗透率的提高，纤维预制结构内的毛孔变小，渗透率变慢，导致生产周期较长，设备复杂，准备成本高；成品的多孔性和材料的低密度影响了复合材料的特性。
由于这一进程的缺点，其效用受到限制。
为了提高沉积效率、降低成本和缩短准备时间，研究人员目前开发了若干方法，包括热梯度法和在某种程度上改进CVI工艺的其他工艺。
（2）PIP工艺PIP是近年发展的一种制备工艺，工艺比较简单，而且制备环境要求低，因此发展比教迅速，并受到广泛的关注。
这一方法的基础是使用有机前体，这些前体在高温下得到分化，然后转化为无机陶瓷基体。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究
PCCVD 技 术 很 复 杂, 由 于 整 个 过 程 中 发 生 着 物 理 和化学变化及相互作用, 使用 PCCVD 制造的复合材料 其 性能受很多因素的影响, 如: 碳纤维的类型、模子和 预制件的设计及M TS 的纯度等, 但最重要的先决条件 包括:
(1) 靠近沉积界面有一陡的温度梯度并且该温度 峰值等于沉积温度;
按 上述条件制备的 C SiC 复合材料, 当模子移动速 度为2 15mm 3 0m in、 纤维体积含量为5 0vo l% 时, 其密 度已达到2 14 4 g cm 3 , 试样密度为理论密度的9 6 % 。
PCCVD 能 沉 积 出 比 较 致 密 的 试 样 的 关 键 所 在 是 必 须使沉积界面上有新鲜的反应气体流过。如果模 子 移动 速度过慢, 该工艺反应时间将很长, 而其速度过快, 碳 化硅基体中将有很多气孔。气孔的形成与模子移 速 度之 间 的 关 系 如 图 4 所 示。其 中 图 4a , 由 于 模 具 的 推 进 速 度 和 SiC 的沉 积 速 度 相 匹 配, 因 此 沉 积 界 面 比 较 平 坦。而 图4b 则因推进速度较快, 在沉积界面上还未沉积好, 高 温区已推向前进, 致使已有的沉积界面未沉积好, 又形 成新的沉积界面, 从而形成一个开口的瓶状的未沉积 区。这时, 反应气体难以进入“瓶”内, 而“瓶”口由于 接触新鲜的反应气体较多沉积速度快, 最终如图4c 所 示, 把 “瓶”口封死, 形成孔隙。因此, PCCVD 的关键 是在沉积温度下, 硅烷气体供应充足时, 模具的推进速 度必须等 于 或 小 于 SiC 沉 积 速 度。这 时, 存 在 一 个 最 大 移动速度。影响复合材料密度的主要参数为模子 的 移动 速度和纤维体积分数, 一般说纤维的体积分数愈大允许
碳化硅纤维增韧碳化硅复合材料结构
碳化硅纤维增韧碳化硅复合材料结构
碳化硅纤维增韧碳化硅复合材料结构是由碳化硅纤维和碳化硅基体组成的复合材料。
碳化硅纤维是一种高强度、高模量的纤维材料，具有优异的耐高温性能和化学稳定性。
碳化硅基体是一种高温陶瓷材料，具有优异的耐高温性能、耐腐蚀性能和机械性能。
碳化硅纤维增韧碳化硅复合材料结构的制备过程包括以下几个步骤：
1. 准备碳化硅纤维。
碳化硅纤维可以通过化学气相沉积、热解碳化等方法制备。
2. 制备碳化硅基体。
碳化硅基体可以通过烧结、反应烧结等方法制备。
3. 将碳化硅纤维与碳化硅基体组合在一起。
可以采用浸渍、层压、热压等方法将碳化硅纤维与碳化硅基体组合在一起。
4. 烧结。
将组合好的材料进行烧结处理，使其形成完整的复合材料结构。
碳化硅纤维增韧碳化硅复合材料结构具有优异的高温性能和耐腐蚀性能，可以用于制造高温结构件、热处理器件、化学反应器件等。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料
碳纤维增强陶瓷基复合材料摘要：碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料具有密度低、高强度、高韧性和耐高温等综合性能已得到世界各国高度重视，本文将对有关碳纤维增强碳化硅陶瓷的有关信息简单介绍。
关键词：陶瓷基复合材料，碳纤维增强。
1.引言碳化硅陶瓷因具有高强度、高硬度、抗腐蚀、耐高温和低密度而被广泛用于高温和某些苛刻的环境中,尤其在航空航天飞行器需要承受极高温度的特殊部位具有很大的潜力。
但是,陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力,在断裂过程中除了产生新的断裂表面吸收表面能以外,几乎没有其它吸收能量的机制,这就严重限制了其作为结构材料的应用。
碳纤维具有比强度高、比模量大、高温力学性能和热性能良好等优点,在惰性气氛中2000℃时仍能保持强度基本不下降。
用碳纤维增强碳化硅复合材料,材料在断裂的过程中通过纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转等增韧机制来消耗能量,使材料表现为非脆性断裂。
Cf/SiC复合材料综合了碳纤维优异的高温性能和碳化硅基体高抗氧化性能,受到了世界各国的高度关注,并广泛应用在航空、航天、光学系统、交通工具等领域。
2. 碳纤维材料简介2.1碳纤维简介碳纤维是有机纤维或沥青基材料经谈话和石墨处理后形成的含碳量在85%以上的碳素纤维，是20世纪50年代为满足航空航天等尖端领域的需要而发展起来的一种特种纤维。
目前，碳纤维的生产原料分为三大体系：聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维。
其中聚丙烯腈基碳纤维由于原料资源丰富，含碳量高及碳化率高，成本低，正在被重视。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。
因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料
缺点：①致密周期较长，制品的孔隙率较高，对材料蠕变性能有一定影响；②基体密度在裂解前后相 差很大，致使基体的体积收缩很大(可达50～70％)，因此需要多次循环才能达到致密化。
优点：基体软化温度较低，可使热压温度接近或 低于陶瓷软化温度。适用于制备单层或叠层构件， 致密度较高且缺陷少。
缺点：SiC陶瓷基体的烧结温度一般在1800℃以 上（添加加烧结助剂，常见的有TiB2、TiC、B、 BN等）。
4、液相硅浸渍法(LSI)
液相硅浸渍法是通过Si+C反应烧结生成，也称反应熔体浸渗法主要工艺流程如下： 纯固体硅于1700℃左右熔融成液态硅，通过C／C复合材料中大量分布的气孔，利用 毛细作用原理渗透到预制体内部并与C发生反应生成SiC陶瓷基体。 优点：工艺时间短，成本低。同时还可以制备大尺寸、复杂的薄壁结构组件。 缺点：制备Cf／SiC复合材料时，由于熔融Si与基体C发生反应的过程中，不可避免 地会与碳纤维发生反应，纤维被浸蚀导致复合材料性能下降。（只能制得一维或二维 的Cf／SiC复合材料，应用前景不大）
改善：均热法、热梯度法、等温强制流动等工艺
2、先驱体转化法(PIP)
先驱体转化法(PIP)是近年来发展迅速的一种制备Cf／SiC复合材料的制备工艺，由于成型工艺简单、 制备温度较低等特点而受到关注。该方法是利用有机先驱体在高温下裂解进而转化为无机陶瓷基体。 基本流程为：将含Si的有机聚合物先驱体(如聚碳硅烷、聚甲基硅烷等)溶液或熔融体浸渍到碳纤维预 制体中，干燥固化后在惰性气体保护下高温裂解，得到SiC陶瓷基体，并通过多次浸渍裂解处理后可获 得致密度较高的Cf／SiC复合材料。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展及应用
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展及应用1研究进展近年来，随着碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料（CCR）性能优越的发现，越来越受到科学家和工程师的关注。
并且CCR的陶瓷相结构具有极高的抗热、抗冲击、抗腐蚀和耐磨性能。
然而，由于其微观和宏观机械性能调控能力较弱，该复合材料在应用中仍受到一定的限制。
近期，CCR材料的性能优势受到了很多研究者的重视，各种新型结构，复杂的组合加工工艺及增强技术被提出。
例如，抗腐蚀性能可以通过制备复合表面层来改善；抗热、抗受力能力可以通过控制碳纤维的尺寸和排列方式来改善；耐磨性能可以通过引入碳材料的碳-氧化物多层复合来增强。
最近，一些拥有改良机械性能的新制备工艺也被研究并实施，包括激光熔覆、前景碳化熔覆、快速增材成型、焊接熔覆和高速冲击等。
2应用对于碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料，主要应用于航空航天、船舶航行及军事等方面，其优越的机械性能使其成为一种非常理想的重要应用材料。
如果说航空飞机，这种复合材料可以替代大部分传统金属。
由于复合材料的轻重比和热稳定性更佳，可以帮助飞机减轻重量。
此外，其优越的抗受力和抗腐蚀性能还可以防止复合材料受到高温或低温环境的影响。
此外，由于复合材料可以克服传统金属在热响应速度受到拘束的缺点，在军事上其应用也都非常广泛。
最新研究表明，该材料很容易改变其形状，使用CCR，军事装备及其它武器物品可以取得更好的效果。
3结论碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料的研究及应用正在逐渐受到重视，复合材料的热稳定性、高抗受力和抗腐蚀性等优势在航空航天、船舶航行及军事领域都得到了广泛的应用。
此外，新的制备工艺也取得了巨大的进步，可以有效地改善复合材料的机械性能。
因此，未来碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料将有望发展出更强大的功能更适应更多应用场景。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料
力；
调整SiC基体的热膨胀系数使其与碳纤维的热膨胀系数相近，
B 可以通过调整SiC陶瓷基体晶型或控制其晶化程度和最终相组
成而控制其热膨胀系数。
1.3 界面作用
传递作用
隔离作用
• 界面层需要具备 • 抑制基体和纤维
一定的强度，将
之间论研究，在理论上确定纤维与基体之间的最佳界面结合强度，从而使材料的强度和韧性都达到最 佳值，因此应重视多种增强、增韧机制的协同作用；
对Cf／SiC复合材料在高温氧化环境中的氧化行为及机理进行深入的研究，以提高其抗氧化性能； 应重视推动Cf／SiC复合材料向结构、功能一体化方向发展，最大程度地挖掘出Cf／SiC复合材料的应
二、结构和性能
A
结构：Cf／SiC复合材料 是以碳纤维为增强纤维、 SiC为陶瓷基体，通过某 种制备工艺复合起来的一 种纤维增强陶瓷基复合材 料。
B
特点：比强度高——轻 质高强
○ 比模量高——刚性好 ○ 耐疲劳 ○ 热膨胀系数小 ○ 尺寸稳定 ○ 真空环境中显示出优
异的特性
三、制备工艺
纤维增强陶瓷基复合材料的性能取决于各组分的性能、比例以及纤 维结构。复合材料的显微结构在很大程度上取决于复合材料的制备 工艺。根据实际应用领域的需求以及Cf／SiC复合材料的性能需求 的不同，已开发出以下几种制备工艺：化学气相渗透法(CVI)、先 驱体转化法(PIP)、浆料浸渍烧结法、液相硅浸渍法(LSI)和一些综 合的制备工艺。
光学和光机械结构中的应用
已经用于制造超轻反射镜、微波屏蔽反射镜等光学结构部件及光学系统中的结构材料及反射镜支撑体系，如 反射镜底座。
此外碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料还用于 高速飞行器和高速汽车、火车上的刹车系统。 超高音速飞行器中，在原子能反应堆中可用做 核燃料的包封材料，还可用作火箭尾喷管的喷 嘴及飞机驾驶员防弹用品等领域。
碳纤维增强碳化硅复合材料 制备方法
碳纤维增强碳化硅复合材料制备方法我折腾了好久碳纤维增强碳化硅复合材料制备这事，总算找到点门道。
一开始啊，我真的是瞎摸索。
我就想啊，这碳纤维和碳化硅怎么就能组合到一起呢。
我最先尝试的方法是直接把碳纤维放到碳化硅的原料里，就像把面条扔到面粉堆里一样，觉得这样就能混合起来，生成我想要的复合材料。
但是啊，结果特别糟糕。
我得到的东西一点都不均匀，有的地方碳纤维都聚在一起了，就像一团乱麻似的。
这才意识到没这么简单。
后来我做了好多功课，知道可能需要一些特殊的工艺。
我就试着用化学气相沉积法，这过程就像给一个骨架涂漆一样，想让碳化硅在碳纤维这个骨架上慢慢沉积。
我把碳纤维放在反应室里，然后让含有硅源气体和碳源气体进去反应，可是这个反应条件特别难控制。
温度稍微高了点或者气体流量稍微不对，就会要么在碳纤维上长不出碳化硅，要么就长得乱七八糟。
而且化学气相沉积法这个设备还挺贵的，做一次实验成本挺高的。
再后来，我又试了粉末冶金法。
这个方法呢，就是把碳化硅粉末和碳纤维混合，混合就像搅拌水泥和沙子一样，尽量让它们均匀分散。
但是这里面问题也不少。
碳纤维很容易断，我在混的时候如果搅拌太猛了，碳纤维就都断成一小节一小节的了，这样就没法好好增强材料性能了。
而且压实的时候也很有讲究，压力小了，材料不致密，压力大了又怕把碳纤维压坏。
最近我试的一种方法感觉有了点成效。
我先对碳纤维进行预处理，就好比给这个增强材料先做个美容，让碳纤维表面能更好地跟碳化硅结合。
比如说我用化学试剂腐蚀一下碳纤维表面，让它变得粗糙一点，这样等会和碳化硅接触的时候就像小爪子抓住对方一样。
然后再用热压烧结法，把处理好的纤维和碳化硅粉末一起放在模具里，高温高压下让他们融合。
这个温度和压力的数值我是经过多少次失败才试出来个大概范围，温度低了或者时间短了，两者结合不紧，温度太高或者压力过大纤维又容易受损。
不过这方法虽然比之前的要好些，但还是有改进空间，我现在还在继续摸索呢。
不确定模具的材料是不是对最终复合材料也有影响，这也是我接下来想要研究的地方。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料层合板制备的工艺过程
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料层合板制备的工艺过程1.引言1.1 概述概述部分的内容可以包括对碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料层合板制备工艺过程的简要介绍，以及该复合材料的特点和应用前景。
概述部分内容示例：碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料是一种具有优异性能和广泛应用前景的复合材料。
本文旨在介绍碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料层合板制备的工艺过程。
首先，我们将对该复合材料的特点进行探讨。
其次，我们将详细介绍该复合材料层合板制备的工艺过程，包括材料准备、层压、热处理等环节。
最后，通过总结与展望，我们将对该工艺的优势和潜在应用领域进行分析和展望。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料具有轻质、高温抗氧化性、高强度、良好的耐腐蚀性能等诸多优点。
由于其独特的材料组成和结构特性，该复合材料在航空航天、能源领域以及汽车制造等领域都有着广泛的应用前景。
其中，碳纤维的加入使复合材料具有出色的强度和刚度，碳化硅陶瓷基材料的特点则赋予了这种复合材料优异的高温稳定性和耐腐蚀性。
因此，碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料层合板制备的工艺过程成为研究的热点和关注的焦点。
通过本文的研究，我们将详细介绍碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料层合板的制备工艺过程，包括原材料的选择和预处理、复合材料的层压工艺和热处理等关键环节。
这些工艺过程在实际应用中起着至关重要的作用，并对最终材料的性能和品质产生重要影响。
通过深入研究和实验验证，我们将全面探讨这些工艺过程的优化方法和技术要点，以期能为碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料层合板的制备工艺提供有价值的参考和研究基础。
总之，本文旨在通过对碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料层合板制备的工艺过程进行探索和研究，以期为该复合材料的制备工艺提供可行性和技术支持。
通过深入理解该复合材料的特点和工艺过程，我们可以为其应用领域的拓展和进一步研究提供参考和依据。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：本文主要包括引言、正文和结论三个部分。
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图3 293 K 和673 K 时准静态压缩后断口 SEM 照片
03
Cf/SiC复合材料的界面
定义：Cf/SiC复合材料界面位于碳纤维与SiC陶瓷 基体结合处，作为纤维与基体间传递载荷的过渡区， 是Cf/SiC复合材料的一个重要组成部分, 其组织结 构、力学性能和失效规律都直接影响着复合材料整 体的力学性能, 所以界面特性的研究对Cf/SiC复合 材料力学性能的影响具有重要意义。
界面结合强度一方面应强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度;另一方面要弱到 足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出, 才能达到复合材料作为热结 构材料使用的要求。
界面结合强度
Байду номын сангаас
化学结合 即互扩散结合, 在Cf/SiC复合材料的制备过 程中, 其界面反应主要是Si原子向纤维内部 的扩散, 这种扩散使得SiC基体与纤维结合 很强, 并且对纤维本体造成很大的损伤。若 要改善Cf/Si C复合材料的界面, 可通过在碳 纤维表面制备氧化涂层来实现。例如, 纤维 表面涂覆氮化硼 (BN) 、富碳SiC、SiC、硼 (B) 等涂层, 均有较好的效果, 纤维表面涂层 能够阻止或尽可能减少碳纤维与SiC基体间 的化学反应, 减轻对纤维本身的损伤, 因此 能大大提高Cf/SiC复合材料的力学性能。
碳纤维增强碳化硅基复合材料
LOREM IPSUM DOLOR SIT AMET CONSECTETUR
01 02 03 04 05
01
碳纤维增强体 SiC陶瓷基体
制备工艺
增强体碳纤维
基体SiC
SiC的分解温度为2600°C, 密度为3.17g/cm3。SiC陶瓷不仅 常温力学性能 (包括抗弯强度、硬度、耐腐蚀性、抗磨损性) 高, 而且高温力学性能 (强度、抗氧化性、抗蠕变性等) 是已 知陶瓷材料中最优的。热压烧结、无压烧结的Si C陶瓷, 其 高温强度在1600℃高温下仍保持不变。SiC陶瓷热膨胀系数 和摩擦系数低, 导电和导热性能优良, 缺点是脆性大。用碳 纤维来增强SiC陶瓷基体, 使材料在断裂过程中通过裂纹偏 转、纤维拔出和纤维断裂等机理吸收能量, 既增强了材料的 强度和韧性, 又保持了SiC陶瓷良好的高温性能, 是获得高性 能高温结构复合材料的极好方法。
造成材料的抗 压强度降低
图3给出了应变率为0.0001s-1时室温293 K 和673K时压缩试样断口在SEM下的形貌。 由图3 中可以看到,在低温时,断口较为平整, 纤维整束断裂。而高温下的断口与低温时 相比相对粗糙,纤维断裂程度加剧。这是由 于在高温下基体与纤维之间热膨胀系数不 匹配会导致基体中产生大量微裂纹, 从而为 C 纤维和 PyC 界面层的氧化提供了气体传 输通道,导致暴露在空气中的试样在加热过 程中 C 纤维和 PyC 界面层被氧化,造成被 氧化的部位局部承载能力下降。在高温加 载过程中,被氧化的部位首先发生破坏,导致 材料宏观抗压强度下降由于氧化部位的任 意分布,C 纤维多处断裂,试样断口粗糙。
界面结合强度
Cf/SiC复合材料的界面结合强度制约着能量吸收机制, 因此Cf/SiC 复合材料的抗弯强度和断裂韧性与碳纤维和SiC陶瓷基体间的界面 结合强度有着紧密的联系。如果碳纤维与基体间的界面结合过弱, 界面就发挥不了传递应力的作用, 复合材料的强度得不到明显的改 善;若碳纤维与基体间的界面结合过强, 复合材料受到足够大的应力 而被破坏时, 碳纤维与基体间的界面不会发生解离, 导致裂纹会直 接穿过纤维发生脆性断裂, 力学性能也会大大下降。
导致材料的抗压强度随着温度升高而降低 的原因,我们认为主要有两个方面：
第一： 由于 SiC 基体与 C 纤维之间的热膨胀系数不同,导致材料制备过程中 不可避免地在 SiC 基体与 C 纤维之间形成热残余应力。
促进材料抗压强度的提高
第二：在高温时除了残余应力影响到材料的承载能力外,氧化引起的质量损 失也是影响材料力学性能的一个重要因素。
界面作用
Cf/SiC复合材料界面的作用主要为：
(1) 传递作用:界面层需要具备一定的强度, 将载荷由基体传递至增强相碳 纤维;
(2) 隔离作用:在高温或者有氧环境下, 界面层可以抑制基体和纤维之间发 生原子扩散反应导致的结合强度增加, 从而保持材料优异的韧性;
(3) 保护作用:减缓和避免纤维在制备过程中因高温或化学反应引起的损伤; (4) 应力缓释作用:裂纹由基体传递至界面层时, 在界面处或者界面层内部
02
1.温度对材料力学性能的影响
图1 C/SiC复合材料在 673 K 时的 应力—应变曲线
图1给出了C/SiC复合材料在高 温时一组典型准静态和动态压 缩时的真实应力—应变曲线。 这里需要说明的是,由于材料性 能具有一定的分散性,因此相同 条件下至少3个试样被用来实验。 由图中可以看出,在高温环境下, 随着应变率的升高,材料的抗压 强度增大。无论是在准静态还 是动态条件下,材料在达到最大 应力时并未立即发生灾难性的 脆性破坏,而是 仍具有一定的承 载能力。
物理结合 主要是指范德华力和氢键, 还与纤维的比表 面和粗糙度有关。同时, 复合材料中内应力, 如碳纤维与SiC基体间热膨胀系数不同而产 生的残余热应力, 也是形成这种结合的重要 原因。解决纤维与基体之间热膨胀系数不 同的方法有两种: (1) 在界面处人为的引入 中间过渡层, 形成较好的热膨胀系数匹配, 这样在样品在冷却过程中就不会形成较大 的热内应力; (2) 调整SiC基体的热膨胀系数 使其与碳纤维的热膨胀系数相近, 可以通过 调整SiC陶瓷基体晶型或控制其晶化程度和 最终相组成而控制其热膨胀系数。
图2 C/SiC复合材料抗压强度随温度的变化
图2给出了不同应变率下材料 的抗压强度随着温度变化的曲 线,可以看到在本文实验的应变 率 0.0001s-1 、0.01s-1和85s1下,随着温度的升高, 材料的 抗压强度略有降低。值得注意 的是,在高应变率下,即使温度 由室温升高到873K,材料的抗 压强度仅下降约10%,这显示出 这种材料具有较好的 高温抗冲 击性能。