碳化硅纤维毡增强陶瓷基复合材料的制备与性能.pdf

垒巨基Q 堕垒竖! ! 鱼垒! 凹垒丛坐E 垒垦工型基! 丛鱼! 曼曼塑丛Q L Q 鱼j 皇壅王主三曼苎! ；l l i i i l ! 至三釜一 碳化硅纤维毡增强陶瓷基复合材料的制备与性能 P r e p a r a t i o na n dP r o p e r t yo fS i l i c o nC a r b i d eF i b e rF e l tR e i n f o r c e dC e r a m i c M a t r i xC o m p o s i t e 南 通 大 学许然季涛 苏州赛力菲陶纤有限公司张博 马小民田秀梅 摘要】陶瓷基复合材料具有高强高模、高温抗氧 化和耐化学稳定性等特点，是新一代先进复合材料的研 究热点之一。介绍了以聚碳硅烷不熔化纤维为原料制 备碳化硅纤维毡的方法和陶瓷基复合材料的制备工艺； 阐述了陶瓷基复合材料的性能测试方法，并分析了气孔 率对陶瓷基复合材料力学性能的影响。 关键词：聚碳硅烷不熔化纤维碳化硅纤维毡 陶瓷基复合材料气孔率 【A B S T R A C T JC e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t ew i t hh i g h s t r e n g t h ，h i g hm o d u l u s ，h i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o nr e s i s - t a n c ea n dc h e m i c a ls t a b i l i t yi so n eo ft h er e s e a r c hh o t s p o t s i nt h en e wg e n e r a t i o no fa d v a n c e dc o m p o s i t e s T h ea r t i c l e i n t r o d u c e st h ep r e p a r a t i o nm e t h o d so fs i l i c o nc a r b i d ef i b e r f e l ta n dc e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e s ，e x p o u n d e st h ep e r f o r m a n c et e s tm e t h o d so fc e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e s ，a n d a n a l y z e st h ee f f e c to fp o r o s i t yo nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o r o fc e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e s K e y w o r d s ：P o I v c a r b o s i l a n ec u r e df i b e r S i l i c o n c a r b i d ef i b e rf e l t C e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t eP o r o s i t y D o I ：1 0 。1 6 0 8 0 j i s s n l 6 7 1 8 3 3 x 2 0 1 5 。S 2 0 5 7 碳化硅( S i C ) 纤维具有高强高模、低密度、高温抗氧 化、耐腐蚀、耐辐照等优点，且与树脂、金属、陶瓷的适应 性良好，是纤维增强树脂( F R P ) 、纤维增强金属( F R M ) 、 纤维增强陶瓷( F R C ) 复合材料的优异增强材料，由它 增强的金属基、陶瓷基复合材料已用于制造航天飞机部 件、高性能发动机等高温结构材料I l l 。S i C 纤维及其复 合材料的研究与开发在2 0 世纪8 0 年代初正式开始【2 】， 3 0 多年来碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料( s i c S i C ) 已经引起国际广泛关注，法国、美国和日本等国家 已经对此进行过系统的研究。由于S i C 纤维原材料的 限制、成本高、技术难度大等原因，我国S i C S i C 复合材 料的研究始于2 0 世纪9 0 年代中期，经过1 0 余年的努 力已经达到国际领先水平p 】。特别是近年来，随着S i C 纤维性能不断提高、新技术不断涌现，S i C S i C 复合材料 的研究也更受关注【4 】。目前，S i C S i C 复合材料都是以 连续碳化硅纤维编织件作为增强相来制备，碳化硅纤维 的成本较高、编织技术要求高，不利于S i C S i C 复合材料 的推广应用，而碳化硅纤维毡增强陶瓷基复合材料制备 工艺简单、生产成本低廉、加工周期短。本文主要研究 S i C S i C 复合材料的制备工艺，分析S i C S i C 复合材料的 性能特点。 1 材料与方法 1 1 试验原料 聚碳硅烷不熔化纤维( 通用级，苏州赛力菲陶纤有 限公司) ； 聚碳硅烷( 复合级，苏州赛力菲陶纤有限公司) ； 二甲苯( A R 级，无锡市晶科化工有限公司) ； 丙烷( 纯度9 9 9 9 ，苏州成功气体有限公司) ； 氮气( 纯度9 9 9 9 9 ，苏州金宏气体有限公司) 。 1 2 试验设备与测试仪器 制毡设备( 自制) ； 高温箱式炉( 1 3 0 0 ，南京大学仪器制造厂) ； 浸渍炉( 自制) ；电子分析天平( E S E 2 1 0 B ，天津 市德安特传感技术有限公司) ； 超声波清洗机( S B I O O D ，宁波新芝生物科技股份 有限公司) ； - 真空烘箱( D Z F 6 0 5 0 ，昆山朗泰特种钢有限公司) ； 红外光谱仪( F F I R 2 0 0 ，美国T h e r m oN i c o l e t ) ； 万能材料试验机( A G S X ，日本岛津公司) 。 1 3 碳化硅纤维毡的制备与表征 1 3 1 碳化硅纤维毡的制备 ( 1 ) 湿法沉积制备聚碳硅烷不熔化纤维毡( P C S ) 。 将聚碳硅烷不熔化纤维均匀切成长5 - 8 c m 的短纤 维，充分分散，采用造纸技术使纤维湿法成型，再经烘干 固化，即可制得不同体积密度的聚碳硅烷不熔化纤维 毡。 ( 2 ) 针刺法制备聚碳硅烷不熔化纤维毡。 将聚碳硅烷不熔化纤维均匀切成长4 0 6 0 c m 的短 纤维，经过分散、铺网成胎、针刺，即可得聚碳硅烷不熔 化纤维毡。 ( 3 ) 碳化硅纤维毡的烧结。 将制得的不熔化纤维毡放入气氛保护箱式电炉 2 0 1 5 年增刊s 25 7 万方数据 中，并在惰性气体保护气氛或真空中进行烧结，预 热到5 5 0o C 后保温1 。5 h ，再按一定升温程序升温至 9 0 0 - 1 3 0 0 。C 并保温o 5 1 h ，然后自然降温，即可得到碳 化硅毡。具体工艺如图l 所示。 图1S i C 纤维毡的制备流程 F i g 1 P r o c e s so fS i Cf i b e rf e l tp r e p a r a t i o n 1 3 2 碳化硅纤维毡的表征 采用F T I R 2 0 0 红外光谱仪对聚碳硅烷不熔化纤 维毡和碳化硅纤维毡进行定性分析，将碳化硅纤维毡 剪成1 0 0 m mxl O m mx 4 m m 的样条，用电子万能试验 机以l m m m i n 的速度拉伸，测试断裂前后纤维毡的强 度。 1 4S i C J S i C 复合材料的制备与表征 1 4 1 S i C E S i C 复合材料的制备 ( 1 ) S i C 纤维界面增韧。 界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强 体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有 至关重要的影响。 采用化学气相沉积法( C V D ) ，以丙烷为原料，在加 热的纤维表面发生化学反应，产生裂解碳沉积在纤维表 面形成过渡层。 ( 2 ) 复合材料的制备。 将聚碳硅烷与二甲苯按一定比例配制成低粘度溶 液，加压浸渍到碳化硅毡内部，经过干燥、交联、固化，然 后在惰性气体保护下高温裂解热解，无机转化成S i C 基 体。由于裂解小分子逸出形成气孑L 和基体裂解后的收 缩，制备过程中需反复进行浸渍一裂解以实现材料的致 密化。 1 4 2 S i C S i C 复合材料的表征 ( 1 ) 复合材料密度与气孔率测试。 密度是衡量材料致密度的参数，而致密度会对材料 力学性能等多方面性能产生影响。按照G B T2 9 9 7 2 0 0 0 致密定形耐火制品体积密度、显气孔率和真气孔 率试验方法标准，采用阿基米德排水法，在电子天平上 测量复合材料的体积密度及孑L 隙率。 体积密度计算公式为： P = 并 5 82 0 1 5 年增刊s 2 气孔率计算公式为： P = 糕 ( 2 ) 式中，P 为复合材料的体积密度，P 为浸渍液体的密度， P 为复合材料的气孔率，m ，为干燥试样质量，m ，为饱和 试样质量，m ，为试样悬浮在液体中质量。 ( 2 ) 复合材料弯曲强度的测试。 按照G B T6 5 6 9 2 0 0 6 精细陶瓷弯曲强度试 验方法标准，进行三点弯曲法测试。试样尺寸为 4 5 m mx4 m mx3 m m ，测试跨距为4 0 m m ，加载速度为 o 5 r a m r a i n 。弯曲强度在A G S X 万能材料试验机上测 试，试验结果取5 个试样的平均值。弯曲强度计算公式： 听= 2 3 易P L 2 ， ( 3 ) 式中，听为弯曲强度，M P a ；P 为最大载荷，N ；L 为跨距， m m ；b 和h 分别为试样的宽度和厚度，m m 。 2 结果与讨论 2 1 聚碳硅烷不熔化纤维毡和碳化硅毡的红外谱图 图2 和图3 是聚碳硅烷不熔化纤维毡和碳化硅毡 的红外谱图。图2 中，3 4 5 0 c m 。1 为s 卜O H 伸缩振动 峰，2 9 5 8 c m 一与2 9 0 0 e m 1 处分别为一C H 3 与一c H 2 的伸 缩振动吸收峰，2 1 0 0 c m 。1 为P C S 的S i H 伸缩振动峰， 1 4 1 0 c m 。1 与1 3 5 0 c m 。1 处分别为S 卜C H ，与S i cH ，的 0 4 彗0 3 墨 0 2 瓜 图2P C S 的红外谱图 F i g 2 I n f r a r e ds p e c t r u mo fP C S 图3 碳化硅纤维毡的红外谱图 F i g 3 I n f r a r e ds p e c t r u mo fs i l i c o nc a r b i d ef i b e rf e l t 万方数据 A E R O N A U T I C A LM A N U F A C T U R I N GT E C H N O L O G Y航空制造技术 变形振动吸收峰，1 2 5 0 c m 1 附近为S i _ 一C 地的对称变形 振动吸收峰，1 0 3 0 c m 。1 处为s i _ 一C H 2 的骨架振动吸收峰， 7 6 0 8 6 0 c m 一处为S i _ C H 的骨架振动吸收峰。图3 中， 2 4 5 0 c m 。1 附近为c 一卜C 伸缩振动峰，1 0 5 0 c m 一处为 S i O c S i 一0 一S i 的伸缩振动峰，8 5 0 c m _ 处为S i c 的弯曲振动峰。对比图2 和图3 可知，经过高温无机化， 聚碳硅烷不熔化纤维中侧链一O H 峰、S i C H 峰、S i H 峰、S i C H 2 - S i 峰、C H 峰分解消失，但s i - 卜c 、 S i O S i 的特征峰仍然存在，说明制得的S i C 毡中含有 一定百分比的O 元素。 2 2 碳化硅纤维毡的强度 根据G J B1 8 6 7 9 4 整体碳毡试验方法标准，将 碳化硅纤维毡剪成1