發(fā)布時間：2018-11-17 19:20

【摘要】：提高連續(xù)纖維增韌碳化物陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能,縮短其制備周期,特別是加快化學(xué)氣相滲透法(CVI)制備該材料時冗長的致密過程,是滿足科技發(fā)展對結(jié)構(gòu)材料日益增長的要求和降低成本、擴(kuò)大此類材料應(yīng)用范圍所面臨的關(guān)鍵問題。一維納米材料,如碳納米管(CNT)和氮化硅(Si3N4)納米線等,具有極高的強(qiáng)度和韌性,是脆性陶瓷理想的增強(qiáng)體。將一維納米材料引入碳化物陶瓷基復(fù)合材料中不僅能夠改善其力學(xué)性能,還可優(yōu)化復(fù)合材料的預(yù)制體結(jié)構(gòu),從而加快其CVI制備過程。但是,到目前為止,制備一維納米材料增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料還存在許多問題,系統(tǒng)的研究尚未展開,材料的力學(xué)性能也有待進(jìn)一步提高。因此,本文采用CVI方法制備了定向碳納米管增強(qiáng)的碳化硅(ACNT/SiC)和碳化硼(ACNT/B4C)陶瓷基復(fù)合材料,以及Si3N4納米線改性的Mini和三維縫合碳纖維增強(qiáng)碳化硅(C/SiC)陶瓷基復(fù)合材料。通過對這些材料的制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)、界面設(shè)計、力學(xué)性能和抗氧化性能等方面的系統(tǒng)研究,為一維納米材料在陶瓷基復(fù)合材料中的應(yīng)用奠定實驗和理論基礎(chǔ)。具體的研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)ACNT/SiC陶瓷基復(fù)合材料的制備和性能研究。以ACNT薄片為預(yù)制體,采用CVI方法滲透SiC基體,得到了高性能的ACNT/SiC復(fù)合材料。結(jié)果表明:1)可根據(jù)復(fù)合材料表面ACNT/SiC納米線的直徑變化情況和材料橫截面的微觀形貌,優(yōu)選CVI工藝參數(shù);2)采用CVI技術(shù)有效地解決了以往制備CNT增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的過程中遇到的CNT團(tuán)聚、損傷,以及與陶瓷基體結(jié)合強(qiáng)度低等技術(shù)難題,使得結(jié)構(gòu)完整的ACNT增強(qiáng)體得以在復(fù)合材料中均勻分布,并與無裂紋的非晶態(tài)SiC基體形成了較強(qiáng)的界面結(jié)合;3)ACNT自身臺階狀的斷裂拔出及其橋聯(lián)增韌作用,使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了明顯的提高,隨著滲透時間的增加,ACNT/SiC納米線的力學(xué)性能逐漸降低,然而,經(jīng)30 min滲透得到的納米線的斷裂強(qiáng)度仍要比傳統(tǒng)SiC材料高出約1個數(shù)量級;4)1600°C以下,復(fù)合材料內(nèi)部的ACNT增強(qiáng)體得到了有效的保護(hù),未發(fā)生明顯的氧化失效。(2)ACNT/B4C陶瓷基復(fù)合材料的制備和性能研究。采用CVI方法制備出了性能優(yōu)異ACNT/B4C復(fù)合材料。結(jié)果表明:1)復(fù)合材料中ACNT結(jié)構(gòu)完整、分布均勻,且與B4C基體結(jié)合強(qiáng)度高,非晶態(tài)的B4C基體均勻致密地包覆在ACNT表面,無裂紋產(chǎn)生;2)ACNT/B4C納米線的斷裂強(qiáng)度比傳統(tǒng)的B4C陶瓷及其復(fù)合材料高出了1~2個數(shù)量級;3)在700~900°C之間,復(fù)合材料表面形成的致密的B2O3玻璃層可有效地保護(hù)材料內(nèi)部的ACNT增強(qiáng)體,避免其氧化失效。(3)ACNT/B4C陶瓷基復(fù)合材料熱解碳(PyC)界面層的制備。先通過CVI方法,向ACNT薄片預(yù)制體內(nèi)滲透PyC界面層,隨后制備出含PyC界面層的ACNT/B4C(ACNT/PyC/B4C)復(fù)合材料。結(jié)果表明:1)通過工藝參數(shù)的優(yōu)化,能夠在ACNT上獲得表面較為光滑平整,且厚度均勻可控的PyC界面層;2)得到的PyC界面層為石墨化程度較高的石墨烯層,它們均勻完整地包覆在原始ACNT表面,形成了形貌統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)連續(xù)的整體;3)石墨烯層是通過在ACNT表面不斷交替進(jìn)行的石墨烯形核和生長自組裝形成的;4)石墨烯層強(qiáng)度偏低、與原始ACNT結(jié)合較弱,說明其內(nèi)部存在缺陷,且與原始ACNT存在一定程度的晶格失配;5)ACNT/PyC/B4C復(fù)合材料呈現(xiàn)出明顯的臺階狀斷裂,說明PyC界面層的引入有效地弱化了ACNT和B4C之間的結(jié)合,提高了復(fù)合材料的韌性。(4)含Si3N4納米線的碳纖維增強(qiáng)體的制備。采用催化劑輔助聚合物先驅(qū)體浸漬裂解法,在碳纖維束和碳布兩種碳纖維增強(qiáng)體上原位生長了純凈的α-Si3N4納米線。結(jié)果表明:1)納米線在碳纖維增強(qiáng)體上均勻分布,生長方向隨機(jī),長度可達(dá)幾百微米,表面平整光滑,頂端無顆粒附著;2)納米線的生長遵從固-液-氣-固生長機(jī)理;3)原位生長的Si3N4納米線在碳纖維增強(qiáng)體表面構(gòu)成了一個疏松的網(wǎng)絡(luò),此網(wǎng)絡(luò)具有可設(shè)計性,可以通過工藝參數(shù)的改變調(diào)整其厚度和納米線密度。(5)Si3N4納米線改性的Mini-C/SiC復(fù)合材料的制備和性能研究。以原位生長了Si3N4納米線的碳纖維束為預(yù)制體,采用CVI方法制備出了兩種納米線密度不同的Mini-C/SiC復(fù)合材料。將它們與不含納米線的傳統(tǒng)Mini-C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn):1)適量Si3N4納米線的引入不僅實現(xiàn)了復(fù)合材料的快速致密化,還有效地增強(qiáng)了SiC基體,改善了材料的力學(xué)性能;2)納米線和碳纖維的體積分?jǐn)?shù)分別在Mini復(fù)合材料的基體強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度中起決定性作用;3)復(fù)合材料中納米線的密度應(yīng)該在合理的區(qū)間內(nèi),若其過高會導(dǎo)致材料致密度和力學(xué)性能的下降。(6)Si3N4納米線改性的三維縫合C/SiC復(fù)合材料的制備和性能研究。以原位生長了Si3N4納米線的碳布為增強(qiáng)體,設(shè)計制備了兩種納米線含量不同的三維縫合預(yù)制體,并通過CVI方法滲透SiC基體,最終得到了兩種Si3N4納米線改性的三維縫合C/SiC復(fù)合材料。將它們與不含納米線的傳統(tǒng)三維縫合C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn):1)適量Si3N4納米線的引入可以起到加快復(fù)合材料致密速度、提高材料致密度、增強(qiáng)SiC基體和改善材料力學(xué)性能的作用;2)引入Si3N4納米線時,需對復(fù)合材料的預(yù)制體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計,避免因納米線的過量添加而導(dǎo)致的材料致密度和力學(xué)性能的降低。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ174.758.2

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 張立同 ,成來飛 ,徐永東;新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J];航空制造技術(shù);2003年01期

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1 劉少存;非化學(xué)計量比碳化鈦（鋯）的制備及其結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和氧化過程研究[D];燕山大學(xué);2014年

2 魏璽;碳化硅陶瓷基復(fù)合材料ICVI過程的計算機(jī)模擬研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

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本文編號：2338810