碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究(精)

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究 A Study of the Ceram ic M atrix Com po sites

R einfo rced by Carbon F ibers

杨雪戴永耀赵广文金东明 (北京航空材料研究院 Yang Xue D ai Yongyao Zhao Guangw J in Dongm ing (In stitu te of A eronau , B eijing [摘要 ]使用 CVD ,

全渗入到基体里面。这是由于“瓶颈” 效应所致 , , 进而封闭了通向大气孔的入口。为此 , ( 通过控制反应气体通道位置和试样的加热位置 , , 使用 PCCVD 技术制造的 C Si C 复合材料 , 。

[]O ne of the p rob lem s w ith the u se of CVD techn iques to den sify the ceram ic m a 2 trix reinfo rced by fibers is the difficu lty in ach ieving com p lete infiltrati on 1T h is is due to “ bo ttle 2 neck ” effects in w h ich the CVD m atrix clo ses off s m all po res , w h ich in tu rn b lock s access to larg 2 er po res 1To th is end a new m ethod , po siti on con tro l CVD (PCCVD , to overcom e the difficu lty above m en ti oned is p resen ted

1B y m ean s of con tro lling the reach ing po siti on of react gases and the heating po siti on in m atrix , the clo se po res in the m atrix den sified by PCCVD techn ique have no t com e in to being from start to fin ish 1T here are on ly a few , if any , po res in m atrix and the den sity of C Si C com po sites m anufactu red by PCCVD techn ique can ach ieve 96%of theo retical den sity 1 Keywords carbon fibers reinfo rced

ceram ic m atrix com po sites

1引言

发展更高效率热机的关键在于提高工作温度 , 而提高工作温度之关键又取决于更高工作温度材料的研制。镍、钴基高温合金已发展到接近其使用温度的极限 , 因此要进一步提高发动机的效率 , 就必须研制和发展陶瓷基复合材料。连续纤维增强陶瓷基复合材料 (CFCC 是最有希望满足发动机高温部件要求的

材料 , 而制造 CFCC 的工艺则是其中最关键的问题。传统的热压烧结工艺会大大损伤纤维 , 并使纤维和基体发生严重的化学反应 [1~3]。溶胶 2凝胶法 (so l

2gel 和化学气相沉积 (CVD 或渗透 (CV I 则是制造 CFCC 的较好方法 , 但使用溶胶 2凝胶法生产出的复合材料密度较低 , 制造温度仍较高 (约 1300~1400℃ , 而且还需加压 , 不够理想。而 CVD (CV I 只能沉积简单的薄壁件 , 如单层纤维薄片或薄壳型材料。对于粗厚型件内部往往出现孔洞 , 存在着致密性差 (一般只能达到理想密度的 70%~ 80% [4]、不易成型且沉积时间过长等问题。为了解决上述问题我们提出了一种新工艺新方法 PCCVD 即位控化学气相沉积法 , 并进行了初步试验。

2实验方法

211实验材料

通过 PCCVD 来制造碳纤维增强碳化硅复合材料。本工艺选用高模量碳纤维 (抗张强度为 212GPa , 抗张模量为 360GPa , 密度为 118g c m 3 和甲基三氯硅烷 (M T S 。 M T S 的纯度约为 94%。使碳化硅基体沉积在碳纤维预制件上。

212PCCVD 的原理

在传统的 CVD 工艺中 , 反应气体是通过载气 (或许参加也可能不参加反应携带到加热的预制件上 , 在预制件的表面 , 气体反应形成固体沉积物 , 而反应生成的・ 9 1・

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究

气体由载气带出沉积系统。在沉积过程中 , 整个预制件里外同时沉积 , 由于预制件的外部比内部有更多的机会接触反应气体 , 而迅速达到完全沉积。结果 , 通向预制件内部的入口被封闭 [5], 使得反应物从反应气体到预制件内部纤维表面的物质交换和生成物从纤维表面到主气流的物质交换变得非常困难。最后 , 从复合材料的表面上看 , 得到了完全的沉积 , 但其内部存有较多的气孔。另一方面 , 由于复合材料的表面是不受限制的沉积 , 所以复合材料的外形达不到所规定的尺寸要求。

PCCVD 通过控制试样的加热位置 , 控制反应气体

通道位置 , 从而达到控制沉积位置的三位控沉积法。

PCCVD 不是在整个试样上同时沉积 , 而是在一个不断

移动的截面上沉积 , 沉积部分的交界面 , 称为沉积界面。的一端移到另一端时 , 程中 , 的 , , 全部是开口沉积。 , 试验中最高可达其理论密度的 96%。图 1为PCCVD

的工艺简图。

图 1 PCCVD 的工艺简图

F ig 11 T he schem atic of PCCVD technique

1模子中的温度分布 ; 2温度分布 ; 3温度峰 ; 4完全沉

积部分 ; 5未沉积部分 ; 6模子和预制件 ; 7沉积界面的移动方向 ;

8气体试剂的流动方向 ; 9模子的移动方向 ; 10沉积界面上主气

流的流动方向 ; 11沉积界面

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 T S 的纯度等 , 但最重要的先决条件包括 :