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C/SiC复合材料的结构与力学性能
作 者: 谢建伟
导 师: 肖鹏
学 校: 中南大学
专 业: 材料学
关键词: C/SiC复合材料 显微结构 力学性能 破坏机制
分类号: TB332
类 型: 硕士论文
年 份: 2007年
下 载: 467次
引 用: 2次
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内容摘要
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C／SiC复合材料在高推重比航空发动机、超高声速冲压发动机、航空航天往返防热系统、液体发动机和固体火箭发动机等武器装备领域，以及在先进摩擦及离合器系统等刹车工业领域具有非常广阔的应用前景。本文分别以2.5D针刺整体毡和3D编织毡为预制体，采用等温化学气相渗透（CVI）法和等温化学气相渗透-反应熔体浸渗（CVI-RMI）法制备了2.5D和3D的C／SiC复合材料。观察了材料的结构和组织，测试了材料的弯曲强度、断裂韧性和拉伸强度等力学性能，研究了材料受载荷作用时的破坏过程、断裂面形貌特征和破坏机制。主要结论如下：（1）CVI沉积SiC基体时，1100℃～1400℃均可沉积出单一的立方β-SiC，其中：1300℃以下，随着温度升高，（111）晶面SiC晶体生长取向趋势增加，微晶尺寸增加。RMI制备SiC基体时，有Si和SiC两种成分共存。1100℃时，RMI-SiC基体的（111）面晶粒尺寸比CVI-SiC基体的大，为62.5 nm。对于2.5D CVI-C／SiC复合材料，热解炭界面层和CVI-SiC基体层均匀沉积在炭纤维上，材料密度达2.1 g．cm-3，但仍存在不少孔隙，开孔率为10％。对于2.5D CVI-RMI-C／SiC复合材料，工艺周期短，密度可达2.25 g．cm-3，开孔率为10.2％。3D CVI-RMI-C／SiC复合材料比3D CVI-C／SiC复合材料致密，且残留孔隙减少，成本降低，周期缩短，但存在少量树脂炭和Si没有完全反应。对于2.5D CVI-C／SiC复合材料，随密度的升高，弯曲强度增加，最大弯曲强度为329MPa，材料密度为1.95 g．cm-3时，断裂韧性最大，为13.6 MPa·m1／2；材料密度低时由于基体与纤维之间的界面结合较弱，纤维大量拔出，表现出韧性断裂行为，密度高时则呈脆性断裂。对于3D CVI-C／SiC复合材料，随着密度的递增，材料的弯曲强度递增，密度为2.11 g．cm-3的复合材料弯曲强度达到465MPa，断裂方式也由韧性断裂向脆性断裂转变。3D CVI-C／SiC复合材料的拉伸强度达到了168 MPa，而2.5D CVI-C／SiC复合材料拉伸强度仅为103 MPa。对于2.5D CVI-RMI-C／SiC复合材料，随着渗硅温度的升高，密度增加，弯曲强度下降，最大弯曲强度为131 MPa，断裂方式由韧性断裂向脆性断裂转变；随着CVI-SiC基体含量的增加，C／SiC复合材料的弯曲强度增加，最大弯曲强度为225MPa，断裂方式由假朔性断裂向脆性断裂转变。2.5D CVI-RMI C／SiC复合材料拉伸强度仅为15MPa，呈现混合断裂的特征。对于3D CVI-RMI-C／SiC复合材料，预制体经CVI后密度达到1.5 g．cm-3后，再RMI增密制备的材料，比CVI后密度达到1.3 g．cm-3后，再RMI增密制备的材料的密度高，弯曲强度高40％，达到364MPa。
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全文目录
摘要 3-5
ABSTRACT 5-10
第一章 绪论 10-20
1.1 前言 10
1.2 C/SiC复合材料 10-13
1.2.1 C/SiC复合材料的特点与应用 10-11
1.2.2 C/SiC复合材料的组成 11-13
1.3 C/SiC复合材料的研究进展 13-18
1.3.1 C/SiC复合材料的增韧机制 13-14
1.3.2 C/SiC复合材料的制备方法 14-18
1.4 当前C/SiC复合材料研究中的重要问题 18
1.5 本文选题依据和研究内容 18-20
第二章 实验与检测方法 20-28
2.1 原材料 20-22
2.1.1 炭纤维 20
2.1.2 反应气源 20-21
2.1.3 呋喃树脂 21-22
2.1.4 硅源 22
2.2 实验设备 22-23
2.2.1 CVI设备 22
2.2.2 RMI设备 22-23
2.3 C/SiC复合材料的制备 23-25
2.3.1 炭纤维预制体 23-25
2.3.2 热解炭界面层的制备 25
2.3.3 CVI法制备CVI-SiC基体 25
2.3.4 RMI法制备RMI-SiC基体 25
2.4 材料性能测试方法 25-26
2.4.1 相组成与组织结构分析 25
2.4.2 材料密度、孔隙度的测试与表征 25-26
2.5 力学性能测试 26-28
2.5.1 抗弯强度 26-27
2.5.2 抗拉强度 27
2.5.3 断裂韧性 27-28
第三章 CVI法制备的C/SiC复合材料的成分和结构 28-36
3.1 前言 28
3.2 CVI制备C/SiC复合材料 28-33
3.2.1 热解炭界面层 28-29
3.2.2 CVI-SiC基体的成分 29-31
3.2.3 CVI沉积SiC基体的机理 31-33
3.3 CVI法制备的2.5D C/SiC复合材料的结构 33
3.4 CVI法制备的3D C/SiC复合材料的结构 33-34
3.5 小结 34-36
第四章 CVI-RMI法制备的C/SiC复合材料的成分和结构 36-43
4.1 前言 36
4.2 CVI-RMI法制备C/SiC复合材料 36-38
4.2.1 CVI-RMI法设计思路 36-37
4.2.2 RMI过程的热力学条件分析 37-38
4.2.3 CVI-RMI-C/SiC复合材料的化学成分 38
4.3 CVI-RMI法制备的2.5D C/SiC复合材料的结构 38-40
4.4 CVI-RMI法制备的3D C/SiC复合材料的结构 40-41
4.5 小结 41-43
第五章 CVI法制备的C/SiC复合材料的力学性能 43-54
5.1 前言 43
5.2 CVI法制备的2.5D C/SiC复合材料的弯曲性能 43-46
5.2.1 密度对2.5D CVI-C/SiC复合材料的弯曲性能的影响 43
5.2.2 2.5D CVI-C/SiC复合材料的弯曲断裂特征 43-45
5.2.3 弯曲载荷作用下的破坏机制 45-46
5.3 CVI法制备的2.5D C/SiC复合材料的拉伸性能 46-50
5.3.1 典型连续纤维增强陶瓷基复合材料的拉伸性能 46-47
5.3.2 2.5D CVI-C/SiC复合材料的拉伸破坏过程 47-49
5.3.3 2.5D CVI-C/SiC复合材料的拉伸性能及破坏机制 49-50
5.4 CVI法制备的3D C/SiC复合材料的弯曲性能与破坏机制 50-52
5.5 CVI法制备的3D C/SiC复合材料的拉伸性能与破坏机制 52
5.6 小结 52-54
第六章 CVI-RMI法制备的C/SiC复合材料的力学性能 54-61
6.1 前言 54
6.2 CVI-RMI法制备的2.5D C/SiC复合材料的抗弯性能与破坏机制 54-57
6.2.1 渗硅温度对2.5D CVI-RMI-C/SiC复合材料的力学性能的影响 54-55
6.2.2 不同CVI-SiC基体含量对2.5D CVI-RMI-C/SiC复合材料力学性能的影响 55-57
6.3 CVI-RMI法制备的2.5D C/SiC复合材料的拉伸性能 57-58
6.4 CVI-RMI法制备的3D C/SiC复合材料的弯曲性能与破坏机制 58-60
6.5 小结 60-61
第七章 结论 61-63
参考文献 63-67
致谢 67-68
攻读学位期间主要研究成果 68
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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 非金属复合材料
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