發(fā)布時間：2020-05-28 00:16

【摘要】：針對航空航天領(lǐng)域?qū)Ω邷亟Y(jié)構(gòu)材料的迫切需求,深入開展氧化物纖維增韌莫來石基復(fù)合材料的制備與性能研究,提高莫來石基復(fù)合材料的損傷容限和抗熱沖擊性能,研制出高性能氧化物纖維增韌莫來石基復(fù)合材料顯得尤為迫切。本文圍繞莫來石陶瓷的本征脆性問題,開展了以莫來石(Mu)為基體,鋁硅酸鹽纖維(AF)為增韌相,通過熱壓和無壓燒結(jié)工藝制備多維度鋁硅酸鹽纖維增韌莫來石基復(fù)合材料(AF/Mu復(fù)合材料)的研究工作。研究了粉體粒徑對莫來石陶瓷燒結(jié)行為和力學(xué)性能的影響,實現(xiàn)了莫來石陶瓷的低溫致密化。通過復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計以及AF組織和性能的高溫演變行為研究,成功地制備出了滿足不同使用需求的高性能多維度AF/Mu復(fù)合材料。以聚碳硅烷為先驅(qū)體在纖維表面引入SiC涂層,解決了制備過程中纖維結(jié)構(gòu)損傷和性能退化難題,最后考察了復(fù)合材料的抗熱沖擊性能。研究以不同粒徑粉體為原料制備的莫來石陶瓷的致密化行為,結(jié)合不同粒徑粉體制備的莫來石陶瓷組織性能表征進行粉體粒徑優(yōu)選,獲得了莫來石陶瓷的低溫致密化工藝。采用莫來石微米粉1500oC保溫1h可以制備出完全致密的莫來石陶瓷,莫來石陶瓷彎曲強度達到245.7MPa,斷裂韌性為2.5MPa?m~(1/2);采用莫來石納米粉可以在1300oC保溫1h制備出完全致密的莫來石陶瓷,大大降低了燒結(jié)溫度,莫來石陶瓷彎曲強度達到251.2MPa,斷裂韌性為2.8MPa?m~(1/2)。根據(jù)飛行器翼舵、平板構(gòu)件以及發(fā)動機燃燒室內(nèi)襯等熱端部件的使用需求,設(shè)計了三種結(jié)構(gòu)(單向、雙向和三向)的AF/Mu復(fù)合材料,通過有限元模擬對復(fù)合材料進行了剛度預(yù)報。模擬結(jié)果表明,單向AF/Mu復(fù)合材料在沿纖維軸向的彈性模量和剪切模量要高于其他方向,可以滿足單向承載需求;雙向AF/Mu復(fù)合材料在纖維布面內(nèi)0o/90o的彈性模量和剪切模量要高于其他方向,可以滿足面內(nèi)0o/90o雙向承載需求;三向AF/Mu復(fù)合材料在三個方向的彈性模量和剪切模量相近,可以滿足空間三向承載需求。獲得了熱處理溫度對AF纖維微結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律。當(dāng)熱處理溫度在1300oC以下時,纖維的微結(jié)構(gòu)和性能可以保持穩(wěn)定,拉伸強度保持率在85%以上;當(dāng)熱處理溫度升高到1400oC以上時,AF纖維內(nèi)部晶粒迅速長大,纖維性能嚴(yán)重下降。據(jù)此提出AF/Mu復(fù)合材料的燒結(jié)溫度應(yīng)低于1400oC。研究了AF/Mu復(fù)合材料制備工藝,揭示了燒結(jié)溫度和AF纖維含量對單向和雙向AF/Mu復(fù)合材料組織性能的影響規(guī)律。1300oC保溫1h制備的纖維含量為30vol%的AF/Mu復(fù)合材料具有較高的致密度和力學(xué)性能。單向AF/Mu復(fù)合材料致密度為91.5%,彎曲強度達到208.8MPa,斷裂韌性為4.85MPa?m~(1/2)。通過對比復(fù)合材料不同方向力學(xué)性能,驗證了模擬結(jié)果的正確性。雙向AF/Mu復(fù)合材料致密度為90.3%,彎曲強度為134.6MPa,斷裂韌性達到了4.13MPa?m~(1/2),復(fù)合材料力學(xué)性能表現(xiàn)為面內(nèi)0o/90o兩向同性;采用PIP-LBL工藝制備的雙向AF/Mu復(fù)合材料致密度由90.3%提高到了91.8%,彎曲強度由134.6MPa提高到了163.2MPa,斷裂韌性由4.13MPa?m~(1/2)提高到了4.55MPa?m~(1/2)。采用先驅(qū)體浸漬裂解法(PIP)可以在1200oC獲得致密度較高的三向AF/Mu復(fù)合材料。復(fù)合材料的致密度隨PIP次數(shù)的增加而升高,6次PIP制備的復(fù)合材料致密度達到77.5%,彎曲強度為130.1MPa,斷裂韌性為4.91MPa?m~(1/2),復(fù)合材料在X、Y和Z三個方向表現(xiàn)為三向同性。為了抑制AF纖維損傷,改善纖維與基體界面結(jié)合力,提高AF/Mu復(fù)合材料的斷裂韌性。采用0.01mol/L的聚碳硅烷溶液通過PIP法在AF纖維表面引入SiC涂層。纖維含量為30vol%的單向AF/Mu復(fù)合材料的斷裂韌性由4.87MPa?m~(1/2)提高到了5.33MPa?m~(1/2);纖維含量為20vol%的雙向AF/Mu復(fù)合材料的斷裂韌性由3.67MPa?m~(1/2)提高到了4.22MPa?m~(1/2);三向AF/Mu復(fù)合材料的斷裂韌性由4.93MPa?m~(1/2)提高到了5.14MPa?m~(1/2)。三種結(jié)構(gòu)的AF/Mu復(fù)合材料在破壞過程中均表現(xiàn)為非脆性斷裂。通過多次高溫-低溫(1300oC-RT)循環(huán)熱處理考核了三種結(jié)構(gòu)的AF/Mu復(fù)合材料的抗熱沖擊性能。AF/Mu復(fù)合材料彎曲強度隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低。經(jīng)過10次循環(huán)處理后,AF/Mu復(fù)合材料彎曲強度保持率在85%以上,15次循環(huán)處理后,彎曲強度保持率在70%以上。采用水淬法獲得了AF/Mu復(fù)合材料的臨界熱沖擊溫差:單向AF/Mu復(fù)合材料的臨界熱沖擊溫差為617.7oC,雙向AF/Mu復(fù)合材料的臨界熱沖擊溫差為746.2oC,三向AF/Mu復(fù)合材料的臨界熱沖擊溫差為843.9oC。三種結(jié)構(gòu)的AF/Mu復(fù)合材料均具有優(yōu)異的抗熱沖擊性能。
【圖文】：

高強度、高韌性和高可靠性的連續(xù)纖維增韌莫來石基備提供了可靠的理論依據(jù)。況 Al2O3-SiO2氧化物體系中唯一穩(wěn)定存在的化合莫來石是一種固溶體，但是對它的化學(xué)組成問題存石沒有固定的化學(xué)組分，存在一個固溶范圍，化i2-2X]O10-X，X 表示單個晶胞內(nèi)氧原子空位，VI 和 I Al 原子配位數(shù)，隨著 X 變化莫來石的成分是變化的溶范圍為 0.25<X<0.40。Padlewski[24]于 1986 年將Burnham 從結(jié)晶學(xué)的角度對莫來石固溶范圍進行研是 0<X<1。Angel、Johnson 和 Fisch 通過研究得出了合成的莫來石中氧化鋁的含量最大只有 76wt%；Fis氧化鋁含量高達 87wt%的富鋁莫來石。1924 年 N.L.Bowen[30]繪制出了莫來石相圖，如圖 1-1 所示。

高溫穩(wěn)定性和力學(xué)性能相差很大。Nexte分中分別含有 11wt%和 2wt%的三氧化二石化還可以抑制晶粒長大。但是，，三氧化高溫條件下會產(chǎn)生晶界滑移，纖維的力學(xué)1000oC 時會直接揮發(fā)，導(dǎo)致纖維發(fā)生體積只適合在低溫條件下應(yīng)用。Nextel550 纖的二氧化硅，且這兩種成分配比在莫來件下完全轉(zhuǎn)化為晶粒尺寸為0.4μm的莫來高溫條件下剛度較低。Nextel720 纖維是硅酸鹽纖維。影響微觀組織結(jié)構(gòu)的角度探究了 Nextel 纖維化學(xué)成分由 85wt%的氧化鋁和 15wt%石相和 30wt%的 α 相氧化鋁。從圖 1-2 中約為 300nm），每個粗晶內(nèi)部隨機分布一溶膠凝膠快速熱解法可以得到這種不規(guī)則的
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB332

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 李明;周光明;王新峰;;2.5D機織復(fù)合材料沖擊后剩余強度研究[J];材料工程;2009年S2期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

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2 王寶來;三維編織復(fù)合材料的力學(xué)性能和尺寸效應(yīng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 王海鵬;三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能測試的數(shù)值模擬[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

本文編號：2684382