01 碳化硅陶瓷基復合材料的性能特點(diǎn)
CMC-SiC是一種兼具金屬材料、陶瓷材料和碳材料性能優(yōu)點(diǎn)的熱結構功能一體化新型材料,是目前國際公認的最具發(fā)展潛力的發(fā)動(dòng)機熱端部項材料之一,即保留了纖維耐高溫、高強、高模、耐腐蝕、抗蠕變、材料熱膨脹系數小等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又克服了陶瓷材料抗沖擊性能差、斷裂韌性低的缺陷,在航空航天和核聚變領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的應用前景。
02 作為陶瓷基復合材料中的一個(gè)重要結構體系,CMC-SiC主要包含碳纖維增韌碳化硅(Cf/SiC)和碳化硅纖維增韌碳化硅(SiCf/SiC)。以SiCf/SiC為例,通過(guò)在SiC陶瓷基體中引入SiC增強纖維,大幅度提高強度、改善脆性。
碳化硅陶瓷基復合材料的制備
目前,CMC-SiC的制備方法主要有前驅體有機聚合物浸漬熱解轉化技術(shù)(PIP)、化學(xué)氣相滲透法(CVI)、反應熔融浸滲工藝( RMI)、納米晶滲透瞬態(tài)共晶液相工藝(NITE)以及漿料浸漬-熱壓燒結工藝(SIHP)等[1]。
2.1前驅體有機聚合物浸漬熱解轉化技術(shù)(PIP)
PIP工藝制備陶瓷基復合材料是20世紀70年代至80年代發(fā)展起來(lái)的新工藝和新技術(shù)。其基本原理就是合成前驅體有機聚合物,將纖維預制體在前驅體溶液中浸漬,在一定條件下交聯(lián)固化,然后在一定的溫度和氣氛下熱解轉化為陶瓷基體,經(jīng)反復浸漬熱解最終獲得致密陶瓷復合材料。
多年以來(lái),日本、美國、法國和中國等國家在PIP技術(shù)制備陶瓷基復合材料領(lǐng)域做了深入研究,研究方向主要集中在先驅體的改性。常用的SiC陶瓷前驅體是聚碳硅烷(PCS),不同分子量的PCS制備的Cf/SiC復合材料性能存在較大差別,隨著(zhù)分子量增加,PCS軟化點(diǎn)上升,陶瓷產(chǎn)率增加,而Cf/SiC 復合材料的力學(xué)性能先增加后下降;PCS分子量為1300 ~1700時(shí)制備的Cf/SiC復合材料力學(xué)性能較好。為了進(jìn)一步縮短制備周期和提高材料性能,一些新型PCS前驅體也被研制出來(lái)。其中,日本擁有PCS和連續SiC纖維制備技術(shù),現已合成出陶瓷產(chǎn)率高達85%的新型 PCS前驅體,其主要開(kāi)發(fā)PIP法制備CMC-SiC的研究,SiCf/SiC的研究水平較高。
國內,國防科技大學(xué)、廈門(mén)大學(xué)以及中國科學(xué)院化學(xué)所、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所等也先后開(kāi)展了先驅體改性研究工作,研發(fā)出一系列碳化硅先驅體,如聚甲基硅烷、聚乙炔基碳硅烷、液態(tài)超支化聚碳硅烷等。西北工業(yè)大學(xué)張立同院士與成來(lái)飛教授團隊[2]采用PIP方法制備了具有BN界面層的單向 SiCf/SiC復合材料,發(fā)現在與 SiCf軸向平行的方向上,SiCf承載作用明顯,BN界面可以實(shí)現界面脫粘的增韌機制,因此,SiCf/SiC 復合材料的抗彎強度和斷裂韌性高達(813.0±32.4) MPa和(26.1±2.9) MPa·m1/2。
2.2 化學(xué)氣相滲透法(CVI)
CVI法制備連續纖維增強C/SiC復合材料是20世紀70年代由法國波爾多大學(xué)的 Naslain 教授發(fā)明的。其主要工藝流程是先將氣態(tài)先驅體以對流、擴散的方式沉積于纖維的表面,然后在一定溫度下反應生成SiC基體,通過(guò)連續的滲透沉積,對纖維之間的縫隙進(jìn)行填充,最終得到連續的SiC陶瓷基體。該工藝是目前應用較廣泛的一種制備Cf/SiC和SiCf/SiC復合材料行之有效的方法。其可以在較低溫度下制備高純度、高結晶度的SiC基體,但主要缺點(diǎn)在于復合材料有較高的氣孔率,同時(shí)制備周期較長(cháng),成本較高。
近年來(lái),日本、美國和法國研究者分別針對CVI工藝中纖維種類(lèi)、界面相組成與厚度、氣體組成等對復合材料的氣孔率、力學(xué)和耐高溫氧化等性能的影響開(kāi)展了大量的研究。國內,西北工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)、國防科技大學(xué)、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所等單位均對CVI工藝進(jìn)行了研究,并已實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn),為我國航空航天事業(yè)的發(fā)展做出了卓越貢獻[3-4]。
2.3 反應熔融浸滲工藝(RMI)
反應熔融浸滲工藝(RMI)是在反應燒結碳化硅陶瓷的基礎上發(fā)展出來(lái)的。首先,采用化學(xué)氣相沉積或者浸漬碳化法,在碳化硅纖維表面制備多孔的碳基中間體(SiCf/C);然后,在高溫下將硅源加熱熔融,向多孔碳基體中滲透,并原位反應獲得SiCf/SiC復合材料。
RMI工藝的優(yōu)勢是復合材料的孔隙率低,力學(xué)性能和熱導率高。此外,RMI工藝構件變形量小,易實(shí)現近凈成型。胡建寶等[5]基于國產(chǎn)KD-II型SiC纖維,利用 RMI工藝制備了高致密的 SiCf/SiC復合材料(圖1),氣孔率僅為1.6%,室溫彎曲強度達 521 MPa,熱導率達 41.7 W/(m·K)。