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C/C-SiC复合材料模压成型工艺与性能探析

作者:金融论文
出处:www.lunrr.com
时间:2019-11-04

1简介

C/C-SiC复合材料,即碳纤维增强碳-碳化硅双基复合材料,具有较高的比强度,抗氧化性,耐蚀性和耐磨性。它广泛用于航天飞机的热保护系统中。飞机刹车片,光伏热场等领域。制备C/C-SiC复合材料的主要方法有两种。

(1)化学气相渗透(CVI),它将气相前驱物(碳氢化合物气体,例如甲烷,丙烯,丙烷或天然气)输送到多孔碳纤维预成型坯,从而导致前驱物在碳纤维表面上破裂。形成碳基质以形成多孔C/C复合材料。然后将含硅前体(如三氯甲基硅烷)转运到多孔C/C复合材料的孔中,形成C/C-SiC复合材料;

(2)在熔融渗透法中,将多孔的C/C复合材料包埋在硅粉中,加热到硅的熔点以上,从而使熔融的硅浸入C/C复合材料的孔中,与基体碳反应形成碳化硅,形成C/C-SiC复合材料。两种方法都需要重复沉积或浸渍以获得更高的密度,制备周期长,气体利用率低,制造成本高,并且不适合工业生产。本文以碳纤维机织物为增强材料,采用混合粉末成型工艺制备了C/C-SiC复合材料。研究了致密效果和力学性能。

2个实验

2. 1 C/C-SiC复合材料的制备

2. 1. 1实验材料

用于制备C/C-SiC复合材料的原料为以下:(1)碳纤维布:山东江山碳纤维科技有限公司,200 g/m2,平纹; (2)硅粉:济南天琴硅业有限公司,粒度目,纯度99.99%; (4)济南圣泉海沃斯化工有限公司生产的酚醛树脂:型号PF-2893A; (5)石墨粉:东莞塘厦向阳石墨制品加工厂,目,纯度99. 95%。

2. 1. 2 C/C-SiC复合材料的制备

首先,将碳纤维布切割并放置在聚酯膜上,然后用胶带将碳纤维布的边缘密封。然后,将酚醛树脂粉末,石墨粉末和硅粉末以一定比例混合,然后按照设定比例溶解在无水乙醇中,并均匀搅拌。最后,用软刷将配比溶液刷在碳纤维布的表面上,并且均匀地刷表面,而没有残留颗粒。刷完后,在室温下干燥,然后刷另一侧。将预刷过的碳纤维布切成热压模具,加热至120℃并加压至25MPa,然后加热至180℃并保持20分钟的压力。修整固化后的样品,将其置于高温石墨化炉中,加热至1600°C,保持2 h,最后随炉取出以除去样品。

2. 2样品性能和表征

在本文中,使用Rigaku D/max-rC型X射线衍射仪对C/C-SiC复合材料进行了相分析。镍滤光片,CuKα为辐射源,波长λ=0。 1542nm,加速电压和电流为40kV和50mA,扫描间隔为0.02°,扫描速度为4°/min,扫描衍射角2θ在10至80°的范围内。通过场发射扫描电子显微镜观察了C/C-SiC复合材料的微观形貌,并通过电子光谱分析了微区中元素含量的分布。本文使用的扫描电子显微镜是日立SU-70场发射扫描电子显微镜(SEM)。试样的机械性能通过三点弯曲测试进行了测试,该测试是根据机械工业标准JB/T 8133. 7-1999进行的。

2. 3正交测试计划

本文采用正交试验法减少试验次数,分析了各种因素对C/C-SiC复合材料的影响和意义。影响C/C-SiC复合材料密度和强度的因素是碳纤维含量,树脂粘合剂和石墨粉比例,硅粉含量和溶液比例。本文研究了每个影响因素对三个级别的性能的影响。

测试结果具有代表性和典型性。对测试结果进行了全面处理,并与没有二氧化硅粉末的纯C/C复合材料进行了比较。可以检查每个因素的影响和重要性。

3结果与讨论

3. 1 C/C-SiC复合相结构

本文采用X射线衍射分析(XRD)作为检测材料内部原子空间分布的方法,有助于理解碳化后C/C-SiC复合材料的相结构。在C/C-SiC复合材料的热处理过程中,发生了两种化学变化。一种是树脂的碳化裂解,另一种是硅粉与碳基质反应形成SiC。对于树脂碳化裂化过程,我们可以推断出碳化过程中复合材料密度的变化。 XRD主要了解硅粉与碳基质之间的反应过程。

0#是不含硅粉的碳纤维增强碳基复合材料(C/C复合材料)。在约26.5°处有一个明显的衍射峰。该峰是石墨晶体的d002晶面的特征衍射峰。在43°和55°附近分别有两个衍射峰d100和d004。对于19#样品,在存在石墨衍射峰的情况下,SiC的衍射峰出现在35、60和72°。另外,没有明显的衍射峰,并且没有元素Si,表明在热处理期间原料中添加的元素Si与碳基质反应形成SiC。 C和Si在高于1 150°C的温度下开始反应。在1 450°C,碳和硅的吉布斯自由能反应形成SiC-约为-61 kJ,C与硅反应形成SiC。这些碳化硅的存在将改善C/C-SiC复合材料的磨损性能。另外,XRD图样的1至9#的SiC衍射峰之间的关系随每个因素的水平而变化。

可以看出,根据配方的不同,C/C-SiC样品的强度相对较大,但远低于C/C复合材料的42. 1 MPa,这表明可能添加了碳化硅。 C/C复合材料的强度有影响。这种影响可能来自两个方面。(1)碳与硅反应形成碳化硅的吉布斯自由能约为-61 kJ,热处理过的碳材料与熔融硅反应形成碳化硅。由氧化硅腐蚀碳纤维而产生的碳纤维与温度变化引起的热膨胀系数不匹配,当碳纤维承受载荷时,裂纹会在裂纹尖端产生,从而降低了碳纤维的强度。碳纤维并影响C/C-SiC复合材料。材料强度; (2)硅粉与基体碳反应形成碳化硅,这也会在基体内部造成裂纹,或者由于碳化硅的体积膨胀,在纤维与基体之间的界面处形成了一个多孔孔,并且将外部负载施加到基板上。在碳纤维转移过程中,裂纹扩展,导致C/C-SiC复合材料的强度降低。

进一步研究各种因素对C/C-SiC复合材料强度的影响,我们可以看到不同水平的因素对C/C-SiC复合材料强度的影响不同。其中,石墨树脂:影响最大,C/C-SiC复合材料在不同水平下的最大强度和最小强度之差为20.39,表明树脂0对C/C-SiC强度的影响最大。复合材料。石墨x1778对C/C-SiC复合材料强度的影响非常显着。 C/CSiC复合材料的强度随着树脂含量的降低而降低。显然,这是由于树脂的粘合作用。作为粘合剂的树脂不仅在碳化之前将碳纤维和各种基质粉末粘合在一起,而且在碳化之后也会裂化成碳。热解碳与石墨粉,硅粉的碳纤维形成共价键,并结合了这些材料。树脂的减少会导致组分无法有效组合,从而影响C/C-SiC复合材料的强度。另外,硅粉含量的影响仅次于石墨树脂:如前所述,添加硅粉将导致碳纤维和基体碳的硅化,而裂纹将影响碳纤维的强度以及基体中外部载荷的传递。

范围分析的结果清楚地表明,C/C-SiC复合材料的强度随着硅粉含量的增加而降低。影响C/C-SiC复合材料强度的第三个因素是纤维含量,这与通常的推断不同。随着碳纤维含量的增加,C/C-SiC复合材料的强度呈下降趋势。通过观察影响C/C-SiC复合材料密度的因素的分析,先前的推论证实了低碳纤维含量会使C/C-SiC复合材料的强度降低。树脂,石墨粉和硅粉更容易填充纤维之间的空隙,而纤维束之间的空隙不能被较少的基质填充,并且当纤维含量高时密度相对较小。然而,无法填充的空隙将成为应力集中点和载荷传递的弱点,这将导致C/C-SiC复合材料的强度降低。比例浓度对C/C-SiC复合材料强度的影响很小。基本趋势是,当浓度太大或太小时,C/C-SiC复合材料的强度都会降低,这也与密度范围分析的结果一致。进一步证实比例浓度的影响反映在溶液的流动性中。浓度太高,基体材料不容易渗透到纤维束内部进行填充。浓度太小,基体材料容易从纤维束的孔中流出。

4结论

使用碳纤维织物作为增强材料,并通过混合粉末成型工艺制备C/C-SiC复合材料。分析了各种因素对C/C-SiC复合材料密度和强度的影响。研究表明,树脂与石墨粉的比例和纤维含量对C/C-SiC复合材料的密度影响较大,而硅粉的含量和浓度比的影响较小且基本相同。树脂与石墨粉的比例对C/C-SiC复合材料强度的影响也很明显。并且,随着树脂含量的降低,C/C-SiC复合材料的强度降低。硅粉的添加会引起碳纤维和基体碳的硅化,并且裂纹会影响碳纤维的强度以及基体中外部载荷的传递。

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