工程材料读书报告- 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。
碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的发展现状及其在航空发动机
品化，而先驱体转化法一直是制备连 续束丝碳化硅纤维的最主要方法。
1975 年，Yajima 教授等 [7-9] 开创
宇部兴产公司在 PCS 先驱体中引入 了钛醇盐，生成钛碳硅烷先驱体，然 后采用 Yajima 方法制备了 Tyranno
裂纹，导致纤维强度急剧下降，严重 限制了其应用 。 [13-14]
在使用温度可达 1600℃。高温合金 的比强度和比模量在高于 1050℃时 急剧下降，而 SiC/SiC CMC 比强度和 比 模 量 随 温 度 升 高 而 增 加，在 高 于 1050℃的使用环境中，与高温合金相 比优势显著。因而，SiC/SiC CMC 是 用于航空发动机燃烧室 / 加力燃烧 室、涡轮、尾喷管等热端部件的理想 材料，其研究和发展对提高我国航空 发动机的性能具有重要意义。
空气中 200℃氧化交联 不熔化纤维
高纯氮气中 1000℃以上裂解
Nicalon NL-200 纤维直接采用 Yajima 方法，原纤维在氧化交联过
碳化硅纤维
程中引入氧原子形成大量 Si— O 键， 得到不熔化纤维；在高温烧结过程
图1 先驱体转化法制备碳化硅纤维的工艺流程 Fig.1 Processing route of the polymer-derived SiC fibers
邹 豪 硕士、工程师。中航复合材料有限
责任公司项目主管，主要从事航空树脂 基及陶瓷基复合材料预研课题及型号 攻关项目管理工作。
76 航空制造技术·2017 年第 15 期
连 续 碳 化 硅 纤 维 具 有 高 强 度、 高模量，高温下抗氧化、抗蠕变性能 好，与 陶 瓷 基 体 相 容 性 良 好 等 性 能 特 点，是 制 备 高 性 能 陶 瓷 基 复 合 材 料的重要增强体 [1-2]。连续碳化硅纤 维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（SiC/ SiC CMC）是目前国际公认的最有潜 力的发动机热结构材料之一，保留了 碳化硅纤维高强高模、耐高温、抗蠕 变、耐腐蚀、材料热膨胀系数小等优 点，同时克服了碳化硅陶瓷断裂韧性 低和抗冲击性能差的缺陷 [3]。随着 航空燃气涡轮发动机推重比的不断 提高，对热端部件的耐温要求也越来 越高，热端部件的工作温度已超出现 有的传统高温合金材料耐高温、耐腐 蚀和抗氧化的极限。SiC/SiC CMC 密 度低，仅为高温合金的 1/3~1/4 ；在 不使用空气冷却和环境障涂层的情 况下，工作温度可达 1200℃以上，潜
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。
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是一种由陶瓷基体和其他增强材料组成的复合材料。
陶瓷基体
通常具有优异的耐高温、耐腐蚀和硬度等特性，而增强材料则可以进一步提升复合材料的力学性能。
由于其独特的性能和广泛的应用领域，陶瓷基复合材料受到了广泛的关注和研究。
首先，陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能。
由于陶瓷基体本身具有高熔点
和良好的热稳定性，因此陶瓷基复合材料可以在高温环境下保持稳定的性能，这使得它在航空航天、能源和化工等领域有着重要的应用。
例如，碳纤维增强碳化硅复合材料可以在高温高压下保持优异的力学性能，因此被广泛应用于航空发动机零部件的制造。
其次，陶瓷基复合材料具有良好的耐腐蚀性能。
陶瓷基体通常具有优异的化学
稳定性，能够抵抗酸碱腐蚀和氧化腐蚀，而增强材料的加入可以进一步提升复合材料的抗腐蚀性能。
因此，陶瓷基复合材料在化工、海洋工程和环保设备等领域有着广泛的应用前景。
例如，氧化锆纤维增强氧化锆复合材料具有优异的耐腐蚀性能，被广泛应用于化工设备的制造。
此外，陶瓷基复合材料还具有优异的硬度和耐磨损性能。
陶瓷基体通常具有高
硬度和良好的耐磨损性，而增强材料的加入可以进一步提升复合材料的耐磨损性能。
因此，陶瓷基复合材料在汽车制造、机械加工和精密仪器等领域有着重要的应用。
例如，碳化硅纤维增强碳化硅复合材料具有优异的硬度和耐磨损性能，被广泛应用于机械零部件的制造。
综上所述，陶瓷基复合材料具有优异的耐高温、耐腐蚀和硬度等特性，具有广
泛的应用前景。
随着材料科学和工程技术的不断发展，相信陶瓷基复合材料将会在更多领域得到应用，并为人类社会的发展做出更大的贡献。
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。
碳化硅陶瓷基复合材料
碳化硅陶瓷基复合材料
碳化硅陶瓷基复合材料是一种具有优异性能的新型材料，它由碳化硅陶瓷基体
和其他增强材料组成，具有高强度、高硬度、高耐磨性和耐高温性能。
碳化硅陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、机械加工等领域有着广泛的应用前景。
首先，碳化硅陶瓷基复合材料具有优异的高温性能。
由于碳化硅本身具有高熔
点和高热稳定性，因此碳化硅陶瓷基复合材料能够在高温环境下保持良好的力学性能，适用于高温工况下的应用。
其次，碳化硅陶瓷基复合材料具有优异的耐磨性能。
碳化硅陶瓷基体具有高硬度和耐磨性，而通过添加其他增强材料，如碳纤维、陶瓷纤维等，可以 further improve its wear resistance, making it suitable for applications in harsh working conditions.
此外，碳化硅陶瓷基复合材料还具有优异的力学性能。
其高强度和高刚度使其
在载荷较大的工程结构中具有广泛应用前景。
同时，碳化硅陶瓷基复合材料的密度较低，具有良好的比强度和比刚度，有利于减轻结构重量，提高工程效率。
在实际应用中，碳化硅陶瓷基复合材料可以用于制造高温工具、高速机械零件、航天器件等。
例如，碳化硅陶瓷基复合材料可以制成高温刀具，用于高速切削加工；还可以制成航天器件的结构材料，用于承受高温和高载荷的工作环境。
总的来说，碳化硅陶瓷基复合材料具有优异的高温性能、耐磨性能和力学性能，适用于各种高温、高载荷的工程应用。
随着材料科学技术的不断发展，碳化硅陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、机械加工等领域的应用前景将会更加广阔。
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。
碳纤维复合增强材料汇报(罗含)
碳纤维增强 碳基复合材料
主讲人：罗含
Contents
1. 碳纤维增强碳基复合材料的介绍 2. 碳纤维增强碳基复合材料的结构性能
3. 碳纤维增强碳基复合材料的制备
4. 碳纤维增强碳基复合材料的发展与应用
5. 碳纤维增强碳基复合材料的改性与思考
1. 碳纤维增强碳基复合材料的介绍
1、碳纤维增强骨架，即织物。通常按增强结构形式 划分，在坯体的研制中，发展的重点是多向织物，如 三向、四向、五向或七向等，目前是以三向织物为主。 其中使用较为广泛的织物结构为：
热梯度法与均热法类似，其过程也受气体扩散所支配，但 因炉压较高，铅坯体厚度方向可形成一定的温差，图4-48是 这类沉积的一例。
此法沉积周期短，制品密度高， 性能比均热法更好。存在的问 题是重复性差，不能在同一时 间内加工不同的坯体和多个坯 体，坯体的形状也不能太复杂。
压差法是在沿坯体厚度方向造成一定的压力差，反 应气体被强行通过多孔坯体，如图4-49所示。 此法沉积速度快，渗透时 间较短，沉积的碳也较均 匀，适用于外部透气性低 的部件。由于易生成表面 硬层，在沉积过程中需要 中间加工。
鉴于碳/碳复合材料具有系列优异性能，它们在宇宙 飞船、人造卫星、航天飞机、导弹、原子能、航空以 及一般工业部门中得到了日益广泛的应用。
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《工程材料》课程读书报告课题名称：碳纤维增强碳化硅陶瓷基姓名：学院：学号:指导老师：完成时间：碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料摘要：碳纤维作为一种新型的材料，其优异的增强性能在很多领域得到了广泛的应用。
陶瓷材料的脆性是其致命弱点，通过碳纤维补强增韧陶瓷基复合材料是材料学术界关注的热点之一，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：关键词碳纤维增强陶瓷复合材料陶瓷基复合1引言.引言陶瓷材料因其具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温和抗腐蚀等优异性能，能应用于高温和某些苛刻环境中，被誉为“面向21世纪的新材料”，作为陶瓷的家族中的一员，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(刹车片、阀)等领域。
2.碳纤维材料简介2.1 碳纤维的结构与性能碳纤维是指碳质量分数在90%~95%之间的无机高分子纤维，是一种新型非金属材料，具有耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、强度高、纤维密度低等特点。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷、混凝土等基体复合，构成复合材料，用作航空航天、汽车、体育器械、纺织、化工机械及医学等领域的结构材料。
碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。
在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，以及在要求化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。
与传统材料相比，碳纤维是一种力学性能优异的新材料，其高强度（是一般金属的3~5 倍）、高模量、低密度（是一般金属的1/4~1/5）的特性，使其成为减重、增强的最佳材料；较高的热稳定性（惰性稳定至2 000 ℃，空气中400 ℃缓慢氧化）和化学惰性，使其具有耐烧蚀和耐腐蚀的优势；由于碳纤维具备纺织纤维的柔软可加工性，与金属、陶瓷、玻璃纤维等有良好亲合性，可适应不同构件形状，成型方便；此外，碳纤维还具备抗疲劳强度高、热膨胀系数小、电阻率小等特性。
图1 为碳纤维与传统材料的性能比较。
碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维；按性能可分为通用型、高强型、中模高强型、高模型和超高模型碳纤维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。
2.2 增强相碳纤维的研究虽然我国研制碳纤维已有30余年的历史,但仅初步建立起工业雏形,生产的碳纤维质量至今仍处于低水平,关键原因是碳纤维原丝质量没有过关。
碳纤维的性能在很大程度上取决于原丝的质量。
原丝缺陷如表面横向裂纹、横向褶皱、轴向裂纹、皮芯结构、表面沉积物、并丝等都会“遗传”给碳纤维,使力学性能下降。
因此,要想生产出质量高且性能稳定的碳纤维,今后必须加强对高性能碳纤维原丝的研究。
碳纤维与基体间存在一系列界面问题:如界面润湿性差,化学、物理相容性差等,极大地影响着复合材料的力学性能,且碳纤维未经表面处理前,其活性比表面积小(一般小于1 m2 /g) ,表面能低,表面呈现出憎液性,限制了碳纤维高性能的发挥，为了提高碳纤维的表面化学活性,增强碳纤维表面与基体的结合能力,进而提高目前,碳纤维表面改性处理主要有表复合材料的性能,对碳纤维进行表面处理是很有必要的。
面氧化处理、表面涂层处理、表面生长晶须等方法。
在研究的诸多碳纤维表面处理方法中, 空气氧化法简单,耗时少,但操作弹性小,氧化反应不易控制;液相氧化法主要是采用硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠等强氧化性液体,对碳纤维表面进行处理,处理比较温和,不过耗时较长;电化学氧化法简单易操作,处理条件温和并易于控制,处理效果明显。
表面涂层处理是对碳纤维表面沉积一层无定形碳来提高其界面粘结性能,多采用气相沉积技术,操作较复杂,周期长。
王毅强等为了改善纤维与基体界面的结合状态,研究了表面处理对C /SiC单向复合材料力学性能的影响。
结果表明,经过1800 ℃处理后的纤维表面粗糙度变大,表面沟槽加深,复合材料的拉伸强度是未经表面处理纤维复合材料拉伸强度的2. 4倍;纤维表面沉积热解炭后表面粗糙度减弱,其拉伸强度是未经表面处理纤维复合材料的3. 1倍;两者联合作用时纤维表面光滑,拉伸强度最高,达708 MPa。
3 . Cf /SiC复合材料制备技术纤维增韧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。
目前, Cf /SiC复合材料的主要制备方法有:热压烧结法、先驱体转化法、化学气相渗透法、反应熔体浸渗法和一些改进的综合工艺。
3. 1 热压烧结法热压烧结法(hot p ressure sintering, HP)又称为料浆浸渍热压法。
其主要工艺如下: 让纤维通过一个含有超细基体陶瓷粉末的料浆容器使之浸渍,然后将浸挂料浆的纤维缠绕在卷筒上,烘干、切断,得到纤维无纬布,将无纬布按所需规格剪裁,层叠在一起,最后热模压成型和热压烧结后制得复合材料[ 4 ] 。
热压烧结的目的是使陶瓷粉末在高温压力作用下发生重排,通过烧结或玻璃相粘滞流动填充于纤维之间的孔隙中,达到致密化。
3. 2 先驱体转化法先驱体转化法又称聚合物浸渍裂解法(p recursor infiltration pyrolysis, P IP)是近年来发展的新工艺和新技术。
它是将含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基体。
先驱体转化法的优点是可制备形状比较复杂的异型构件;裂解时温度较低,材料制备过程中对纤维造成的热损伤和机械损伤比较小。
但在裂解的过程中有大量的小分子溢出,导致孔隙率很高,难以获得致密的陶瓷基复合材料;且从有机先驱体转化为无机陶瓷过程中材料体积收另外,为了获得致密度较高的复合材料, 缩大,收缩产生的微裂纹与内应力均使材料性能降低。
必须经过多次浸渗和高温处理,制备周期长3. 3 化学气相渗透法化学气相渗透法( chemical vapor infiltration, CV I)始于20世纪60年代,是在化学气相沉积(CVD)的基础上发展起来的一种制备新技术。
两者的区别在于CVD主要从外表面开始沉积, 而CV I则是通过孔隙渗入到预制体内部沉积。
对于Cf /SiC复合材料的CV I制备工艺通常以三氯甲基硅烷(MTS) 、四甲基硅烷( TMS)等为原料, H2 为载气,Ar为稀释气体,高温下抽真空沉积SiC基体[ 15 ] 。
徐永东等[ 16 ]采用以MTS为原料, H2为载气,控制H2 和MTS物质的量比10∶1,沉积温度为1100 ℃的CV I工艺成功制备出了密度为2. 1 g/ cm3的Cf /SiC复合材料, Cf /SiC不仅具有较高的强度,而且表现出优异的韧性和类似金属的断裂特征。
3. 4 反应熔体浸渗法反应熔体浸渗法( reactive melt infiltration, RM I)起源于多孔体的封填和金属基复合材料的制造。
采用RM I法制备Cf /SiC复合材料主要过程是在高温下真空环境中用熔融的Si 对多孔C /C复合材料进行浸渗处理,使液态Si在毛细作用下渗入C /C多孔体中,并与C组分发生反20 应生成SiC基体。
世纪80年代,德国科学家Firzer首先用液硅浸渗C /C多孔体制备了C /C2SiC 复合材料,随后德国航空中心进一步发展了该工艺。
4.Cf /SiC复合材料的应用碳纤维增强陶瓷基复合材料因其优异的性能,作为高温热结构和制动材料被广泛应用于各个领域。
Cf /SiC复合材料是随航空航天技术的发展而崛起的一种新型超高温结构材料。
在高推重比航空发动机内主要用于喷管和燃烧室,可将工作温度提高300 ～500 ℃,推力提高30% ～100% ,结构减重50% ～70% ,是发展高推重比(12～15, 15～20)航空发动机的关键热结构材料之一。
在高比冲液体火箭发动机内主要用于推力室和喷管,可显著减重,提高推力室压力和寿命,同时减少冷却剂量,实现轨道动能拦截系统的小型化和轻量化。
在推力可控固体火箭发动机内主要用于气流通道的喉栓和喉阀,可以解决新一代推力可控固体轨控发动机喉道零烧蚀的难题,提高动能拦截系统的变轨能力和机动性。
在高超声速飞行器上主要用于大面积热防护系统,比金属TPS减重50% ,可减少发射准备程序,减少维护,提高使用寿命和降低成本[。
在国外,法国已将用CV I制备的Cf /SiC复合材料用于其狂风战斗机M88发动机的喷嘴瓣。
目前,欧洲正集中研究载人飞船及可重复使用的飞行器的可简单装配的热结构及热保护材料, 其中Cf /SiC复合材料是一种重要材料体系,并已达到很高的生产水平。
在美国,用Cf /SiC复合材料制备的TPS可用于航天操作工具和航天演习工具,Allied Signal 复合材料公司生产的Cf /SiC复合材料在高温环境测试中显示出优异的性能。
波音公司通过测试热保护系统大平板隔热装置,也证实了Cf /SiC复合材料具有优异的热机械疲劳特性[ 31 ] 。
在国内,跨大气层空天飞行器高温防热系统的Cf /SiC头锥帽和机翼前缘已经装机试飞成功,标志着我国在高温大面积防热领域取得了重大突破。
我国亚燃冲压发动机的喷管喉衬和燃气发器已通过试车考核进入应用阶段,整体燃烧室处于研制阶段。
Cf /SiC复合材料是继粉末冶金和C /C复合材料之后发展起来的一种高性能制动材料。
粉末冶金制动材料由于在高温时会发生粘结已不能满足先进制动材料的要求; C /C复合材料易氧化,静态和湿态摩擦系数低,从而导致在潮湿环境下制动失效。
Cf /SiC制动材料具有成本低、环境适应性强、而且在吸收相同热库的条件下可显著减小刹车系统的体积等优势,引起了研究者的广泛关注。
德国斯图加特大学和德国航天研究所等单位的研究人员开始进行C /C2SiC复合材料应用于摩擦领域的研究,并研制出C /C2SiC刹车片应用于Porsche (保时捷) 轿车中。