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RMI法制备C/C-SiC复合材料及其性能的研究

作　者: 王林山
导　师: 熊翔；肖鹏
学　校: 中南大学
专　业: 材料学
关键词: C/C-SiC复合材料 RMI(反应熔渗)法摩擦磨损性能熔Si浸渗行为显微组织力学性能
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

制动材料是列车正常运行的重要保证。C/C-SiC复合材料作为制动材料具有密度低、抗热冲击性强、抗氧化性好、好的摩擦性能等优点。采用RMI法制备的C/C-SiC复合材料具有制备周期短、成本低等优点,是一种具有市场竞争力的工业化生产技术。本文以高速列车制动用C/C-SiC复合材料的研制与应用为目标,以针刺整体炭毡为坯体,采用RMI工艺制备C/C-SiC复合材料。系统研究了C/C多孔体中渗硅温度、不同基体炭和高温热处理对熔Si浸渗行为和力学性能的影响,不同炭涂层对复合材料力学性能的影响,不同基体炭、材料组成、环境（湿度、温度）和能量对材料摩擦磨损性能的影响。采用SEM、OM、X-ray和Raman光谱仪等仪器分析了材料的显微组织和物相组成。研究结果表明: （1）根据理论计算可知,在10μm～1300μm的孔径范围内,具有均一孔径的多孔体有利于液Si的渗入,SiC的生长为C原子的自扩散控制。（2）在不同基体炭的C/C多孔体中,以高温热处理态树脂炭为基体的C/C多孔体最利于液Si的渗入,可制各开孔率仅为1%、密度为2.25 g·cm^-3的复合材料。高温热处理使树脂炭孔比表面积增加,与液Si的接触面积增加,有利于形成SiC。（3）热解炭涂层可很好的保护炭纤维,且制备过程中炭纤维受到的损伤小,从而制备出弯曲强度为161.5MPa、“假塑性”较好的C/C-SiC复合材料。高温热处理改变树脂炭涂层与炭纤维的结合强度,使复合材料弯曲强度略有下降、表现出一定的“假塑性”。对于高温热处理态树脂炭涂层的复合材料,多孔体最终高温热处理使其弯曲强度略有下降,均表现出“假塑性”。（4）模拟刹车试验中,C/C-SiC复合材料的最佳摩擦磨损性能:摩擦系数为0.34、线磨损为0.54μm/次。同干态相比,湿态情况下C/C-SiC复合材料摩擦系数基本不变,材料和对偶件的线磨损均减少;随着刹车能量的增加,复合材料的摩擦系数逐渐减小,线磨损先增加后减小。在定速试验中,随SiC量的增加,C/C-SiC的摩擦系数和磨损均先增加后减少;随着温度的增加,复合材料的摩擦系数逐渐减小,磨损先增加后减小。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-8
第一章绪论  8-22
  1．1 C／C-SiC复合材料  8
  1．2 C／C-SiC复合材料的致密化工艺  8-16
    1．2．1．粉浆—热压法  8-9
    1．2．2．化学气相渗透法(CVI)  9-13
    1．2．3．液态聚合物浸渗法(LPI)  13-14
    1．2．4．反应熔渗工艺(RMI)  14-15
    1．2．5．综合工艺  15-16
  1．3 RMI法制备C／C-SiC复合材料的研究现状  16-19
    1．3．1 熔渗模型  16-17
    1．3．2 Si_((液))-C_((固))化学反应的影响因素  17-19
    1．3．3 抗硅化保护层  19
  1．4 研究背景及意义  19-20
  1．5 主要研究内容  20-22
第二章试验方法  22-28
  2．1 样品制备工艺  22-23
  2．2 原材料  23-24
    2．2．1．增韧相  23
    2．2．2．反应体系的气源  23
    2．2．3．液态炭源  23-24
    2．2．4．硅源  24
  2．3 实验设备  24
    2．3．1 基体炭的制备设备  24
    2．3．2 RMI设备  24
  2．4 试样测试分析  24-28
    2．4．1 X射线衍射分析  24-25
    2．4．2 扫描电子显微镜(SEM)  25
    2．4．3 Raman光谱微区分析  25
    2．4．4 金相观察  25
    2．4．5 力学性能的测试  25-27
    2．4．6 摩擦磨损性能的测试  27
    2．4．7 体积密度和开孔率的测定  27-28
第三章 C／C多孔体RMI过程分析  28-41
  3．1．前言  28
  3．2．Si-C反应的热力学和动力学分析  28-32
    3．2．1 Si_液-C_固反应的热力学计算  28-29
    3．2．2 Si_液-C_固反应的动力学分析  29-32
  3．3．RMI过程的理论分析  32-40
    3．3．1 液Si的基本物理性质  32-33
    3．3．2 RMI过程的力学分析  33-36
    3．3．3 RMI过程的理论计算  36-40
  3．4．小结  40-41
第四章 C／C-SiC复合材料的制备及其组织结构  41-54
  4．1．C／C-SiC复合材料的设计  41-42
    4．1．1 基体炭的选择  41-42
    4．1．2 液Si渗入的设计  42
  4．2．C／C多孔体的组织结构  42-47
    4．2．1 C／C多孔体的制备  42-43
    4．2．2 C／C多孔体的孔隙结构和显微结构  43-45
    4．2．3 结构参数(石墨化的测定)  45-47
  4．3．C／C-SiC复合材料制备的影响因素  47-51
    4．3．1 熔渗温度对力学性能的影响  47
    4．3．2 不同基体炭对熔Si浸渗行为的影响  47-48
    4．3．3 高温热处理对熔Si浸渗行为的影响  48-50
    4．3．4 高温热处理对复合材料SiC含量的影响  50-51
  4．4 C／C-SiC复合材料的组织结构  51-53
    4．4．1 复合材料的显微组织  51-53
    4．4．2 SiC的形貌  53
  4．5 小结  53-54
第五章 C／C-SiC复合材料的力学性能与断裂机理  54-66
  5．1．前言  54
  5．2．不同基体炭对复合材料力学性能和断裂方式的影响  54-59
    5．2．1 界面层的设计  54-55
    5．2．2 复合材料的力学性能  55-56
    5．2．3 复合材料的断裂方式  56-59
  5．3．熔融渗硅温度对复合材料力学性能的影响  59-60
  5．4．不同炭涂层对复合材料力学性能的影响  60-62
  5．5．高温热处理对复合材料力学性能的影响  62-64
    5．5．1 树脂炭涂层的高温热处理对复合材料力学性能的影响  62-64
    5．5．2 多孔体最终高温热处理对复合材料弯曲性能的影响  64
  5．6 小结  64-66
第六章 C／C-SiC复合材料的摩擦磨损特性  66-77
  6．1．C／C-SiC复合材料的摩擦磨损性能  66-68
    6．1．1 干态惯性制动过程中C／C-SiC复合材料的摩擦磨损性能  66
    6．1．2 湿态惯性制动过程中C／C-SiC复合材料的摩擦磨损性能  66-67
    6．1．3 定速试验中C／C-SiC复合材料的摩擦磨损性能  67-68
  6．2．摩擦磨损性能的影响因素  68-75
    6．2．1 材料成分的影响  68-71
    6．2．2 实际使用条件的影响  71-75
  6．3．C／C-SiC复合材料的摩擦磨损机理  75-76
  6．4．小结  76-77
第七章结论  77-79
参考文献  79-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84-85
致谢  85

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