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1、学士学位论文先驱体C/SiC陶瓷基复合材料的力学性能测试与分析作者姓名： 学科专业：材料成型及控制工程所在系部：机械工程学部指导老师： 2011年4月分类号VDC 密级 学士学位论文先驱体C/SiC陶瓷基复合材料的力学性能测试与分析the mechanical properties test and characterization of the ceramic matrix composites pioneer body C/SiC作者姓名：学科专业：材料成型及控制工程所在系部：机械工程学部指导老师： 论文答辩日期 答辩委员会主席 年 月 关于学位论文使用授权说明本人了解经济学院有关保留、使
2、用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名： 导师签名 日期： 年 月 日摘 要陶瓷材料作为一种结构材料，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，且能应用于某些高温和苛刻环境中， 被誉为“面向21 世纪的新材料”，受到了越来越多的关注。本文首先介绍了几种SiC陶瓷基复合材料，包括颗粒弥散复相SiC陶瓷基复合材料纤维补强SiC陶瓷基复合材料和晶须补强SiC陶瓷基复合材料，还介绍了多种SiC陶瓷基复合材料的制备工艺，其
3、中重点叙述了用先驱体浸渍裂解法制备CSiC复合材料。然后用实验的方法对先驱体C/SiC陶瓷基复合材料进行了研究，包括实验用原材料实验技术路线和分析表征方法，其中的重点是力学性能的测试，通过测试和计算，得出了先驱体C/SiC陶瓷基复合材料不仅具有较高的弯曲强度和剪切强度，而且具有优异的断裂韧性和类似金属材料的断裂特征的结论。最后分析了碳纤维热处理对碳纤维强度和CSiC复合材料力学性能的影响，其中包括热处理对碳纤维强度的影响和碳纤维热处理对CSiC复合材料力学性能的影响，并得出了两个结论：一，在6001200温度区间，热处理温度越高，纤维强度保留率越低，当熟处理温度为1200时强度保帘率降低为79
4、 57。1400热处理有助于纤维微观结构规整化，减少纤维表面缺陷，纤维强度保留率提高为88 17。二，纤维热处理降低了纤维表面活性，弱化了复合材料界面结合，有助于复合材料力学性能提高。当热处理温度低于1200时，复合材料的力学性能提高幅度不大；热处理温度为1400时，所制备复合材料界面结合适中，复合材料弯曲强度达到527 38MPa，断裂韧性为1759MPamm，碳纤维表面沟纹弥合及缺陷减少是CSiC复合材料性能提高的主要原因。关键词：SiC陶瓷基复合材料，先驱体浸渍裂解法，力学性能的测试与分析，碳纤维热处理，力学性能的影响目 录目 录5第一章 绪论61.1 SiC陶瓷61.2 SiC陶瓷基复
5、合材料81.2.1颗粒弥散复相SiC陶瓷基复合材料81.2.2纤维补强SIC陶瓷基复合材料91.2.3晶须补强SiC陶瓷基复合材料101.3 SiC陶瓷基复合材料的制备工艺101.3.1粉末冶金注射成型(PIM) 20101.3.2化学气相沉积法(CVD) 21111.3.3化学气相渗透法(CVI) 24121.3.4热等静压工艺(HIP) 25121.3.5自蔓延高温合成(SHS) 3132131.3.6先驱体浸渍裂解法（PIP）3637141.4先驱体浸渍裂解法制备CSiC复合材料141.4.1先驱体浸渍裂解法的特点151.4.2先驱体PCS裂解转化过程151.4.3先驱体浸渍裂解法的应用
6、16第二章 实验与研究方法182.1实验用原材料182.1.1增强纤维182.1.2陶瓷先驱体182.1.3其它材料182.2 PIP法制备2D与3D Cf/SiC复合材料的工艺过程192.3 Cf/ /SiC复合材料性能测试192.3.1力学性能测试弯曲强度和剪切强度192.3.2断裂韧性202.4显微组织结构表征20第三章 先驱体C/SiC陶瓷基复合材料的力学性能测试与结果分析21第四章 结论27参考文献28第一章 绪论碳化硅具有良好的高温性能、抗蠕变性能和低的热膨胀系数， 使之成为航空航天器热结构材料的主要候选材料，C/SiC 复合材料是其中的一个重要材料体系。大量文献资料表明, C/S
7、iC 复合材料具有耐高温和抗热震性能、 高耐磨性和硬度、 耐化学腐蚀特性、高导热、低热膨胀系数 (110-6410-6K-1) 等优异的性能，世界主要发达国家都在积极开展C/SiC陶瓷基复合材料的研究，并大大地拓宽了其应用领域。它主要应用于光学系统、空间技术、燃烧炉、燃烧器、交通工具 (刹车片，阀)、能源技术 (热交换)等领域1、。随着科学技术和现代工业装备的发展，尤其是能源、空间技术以及汽车工业大力发展，对材料科学技术研究提出了更高的要求。材料科学在科学领域中的作用越来越明显。各种新材料的开发直接影响着其它众多学科的进展。目前世界各国都非常重视对新材料的研发工作，并把材料科学列为二十一世纪最
8、优先发展的学科之一。因此研究具有各种高性能的新材料成为各国材料科学家们所面临的主要任务。在许多新兴的应用领域中，传统的金属材料和有机高分子材料受到了极限的挑战。在强抗磨损、抗腐蚀、耐高温等使用条件下，急需寻找新型替代材料。于是，工程结构陶瓷材料便应运而生。它是伴随着现代科学和工程技术的发展，而兴起的一个新的材料领域。近年来它的发展十分迅速，研究成果日新月异，己成为无机材料体系中的一大分支。工程结构陶瓷包括在各种环境中应用的各类耐磨、耐蚀、耐高温和高强度的陶瓷构件;它是运用材料的微观结构设计新思路来制造和加工能满足各种使用要求的陶瓷材料。单纯的陶瓷虽然有优良的高温性能，但由于其脆性和抗冲击载荷的
9、能力较弱，以及机械加工困难等不足之处，使应用范围受到限制。鉴于这种情况，在金属材料高强度、高韧性和陶瓷材料耐磨、耐蚀、耐高温的基础上，人们对高性能的金属基和陶瓷基复合材料进行了系统的研究，使工程结构陶瓷材料有了更加广泛的应用2。1.1 SiC陶瓷纯碳化硅是无色透明的。工业碳化硅由于含有铁、硅等杂质呈现浅绿色或黑色。碳化硅(SiC)陶瓷具有耐高温(2200K以上)、抗渣性强、耐冲刷、耐磨损、优良的热稳定性、抗氧化性较强以及较高的高温强度。因此，己经在石油、化工、机械、航天、核能等领域大显身手3，日益受到人们的重视。例如，SiC陶瓷可用作各类轴承、滚珠、喷嘴、密封件、匣钵、底盘、切削工具、燃气涡轮
10、机叶片、涡轮增压器转子、反射屏和火箭燃烧室内衬等等。SiC陶瓷的优异性能与其独特结构密切相关。它具有金刚石型结构，是共价键很强的化合物，SiC中Si一C键的离子性仅12%左右。因此，SiC强度高、弹性模量大，具有优良的耐磨损性能。纯SiC不会被HCI、HNO3、HZSO;和HF等酸溶液以及NaOH等碱性溶液侵蚀。在空气中加热时易发生氧化，但氧化时表面形成的二氧化硅会抑制氧的进一步扩散，故氧化速率并不高。在电性能方面，SiC具有半导体性，少量杂质的引入会表现出良好的导电性。SiC具有和两种晶型。一SiC的晶体结构为立方晶系，Si和C分别组成面心立方晶格; 一SiC存在着4H、15R和6H等100
11、余种多型体，其中，6H多型体为工业应用上最为普遍的一种。在SiC的多种型体之间存在着一定的热稳定性关系。在温度低于1873K时，SiC以一SiC形式存在。当高于1873K时，一SiC缓慢转变成一SiC的各种多型体。4H一SiC在2273K左右容易生成;15R和6H多型体均需在2373K以上的高温才容易生成;对于6H一SiC，即使温度超过2473K，也是非常稳定的。SiC中各种多型体之间的自由能相差很小，因此，微量杂质的固溶也会引起多型体之间热稳定关系的变化。表1.1 SiC陶瓷的烧结方法及物理性能4TSintering waysPressurelessHot PressingHot isost
12、aticPressingReactingVolume density/g/cm33.123.213.213.05Fracture toughness/MPam1/2 3.23.23.83.0Flexural strength/MPa(293K) (1673K)410410640650640610380300Young,s modulus/GPa410650610300Coefficient of thermal expansion/10-6k-14.74.84.74.5Coefficient of thermal conductivity/W/m .k(293K) (1273K) 110451
13、30452205014050SiC由于其共价键结合的特点，烧结时的扩散速率相当低，所以SiC很难采取通常离子键结合材料所用的单纯化合物常压烧结途径来制取高致密化的材料，必须采用一些特殊的工艺手段或依靠第二相物质促进其烧结。目前制备SiC陶瓷的主要方法有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结等，表1.1给出了几种新型工艺制备的SiC陶瓷的烧结方法及某些物理性能。然而用传统方式制备的SiC陶瓷材料的抗折强度通常要小于50MPa56。1.2 SiC陶瓷基复合材料单纯的碳化硅陶瓷材料虽然有优良的高温性能，但由于其脆性、较弱的抗冲击载荷能力，以及机械加工困难等缺点，它的使用范围受到了限制。为了提高碳
14、化硅材料的强度和韧性，已经采用高纯、超细粉原料以及选择各种添加剂等手段来改善烧结性能7。获得的高致密多晶材料的强度有所提高，但是对其韧性的改善并无多大作用。自八十年代以来，许多研究工作借鉴金属材料弥散强化理论，采用添加第二相颗粒的办法，使裂纹在与第二相粒子相遇时，发生裂纹偏转、绕道、分叉或钉扎等效应，导致裂纹断裂路径发生改变，断裂能增大，改善了基体抗断裂能力，从而提高了材料的韧性。较典型的碳化硅陶瓷基复合材料的例子有SiC一TIiC8-10，SiC一ZrB211 ,SiC一Al2O3, 12 SiC-TiB213,14等。随着韧性提高，第二相颗粒的引入也带来了其它缺点，如高温强度和抗氧化性能会有所下降。此外，有些研究者还试图通过晶须、纤维来补强碳化硅陶瓷。所有这些陶瓷基复合材料都是指以陶瓷材料为基体(本文是以碳化硅陶瓷为基体材料)，以颗粒、纤维或晶须为增强体，通过适当的复合工艺制备的性能可设计的一类新型材料。1.2.1颗
