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1、Carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic matrix composites长征五号B运载火箭首飞引言复合材料的性能与应用Cf/SiC复合材料的组成展望复合材料的界面及强韧化机制Introduction0102030506Contents目录复合材料的研究进展0407参考文献08致谢Thanksl 随着现代科学技术的发展，在许多领域，尤其是航天航空、军事等尖端科学领域，对高温结构材料有着更高的要求。l 纤维增强陶瓷基复合材料，是一种具有高强度、高韧性、优异的热稳定性和化学稳定性的一类新型结构材料。l 目前，以碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(
2、以下简Cf/SiC复合材料)为代表的纤维增强陶瓷基复合材料充分利用了碳纤维优异的高温力学性能和SiC陶瓷基体的高温抗氧化性能。被认为是目前最有发展前途的高温热结构材料。Introduction Cf/SiC复合材料是以碳纤维为增强纤维，SiC为陶瓷基体，通过某种制备工艺复合起来的一种纤维增强陶瓷基复合材料。Carbon fiber reinforced silicon carbide composites are used to pass through the fiber during the process of fracture Toughening mechanisms to caus
3、e the material to behave as non-brittle fracture.Cf/SiC复合材料的组成l 碳纤维是一种由碳元素组成的特种纤维，结构是由微晶石墨延轴向排列组成的一种乱层非晶态石墨结构。2.1增强体碳纤维l 碳纤维耐高温、耐磨、耐腐蚀、导热、导电、摩擦系数低、有自润滑性等，而且还有一般碳素材料没有的特性，如显著的各向异性。l 碳纤维高温性能非常优异，在惰性气氛中，其强度在2000以上时下降幅度仍然较小，其最大的缺点是高温抗氧化性能差。l Carbon fiber is a kind of carbon fiber with more than 85%carbo
4、n content after carbonization and graphitization of organic fiber or asphalten-based material.p SiC陶瓷是陶瓷基复合材料中常见的一种基体材料，SiC属于典型的共价键结合的化合物。p SiC的分解温度为2600，密度为3.17g/cm3。SiC陶瓷常温力学性能高，同时其高温力学性能是已知陶瓷材料中最优的。2.2基体SiC陶瓷3.1复合材料的界面u Cf/SiC复合材料的界面位于碳纤维与SiC陶瓷基体结合处，作为纤维与基体间传递载荷的过渡区，是Cf/SiC复合材料的一个重要组成部分。u 其组织结构，力
5、学性能和失效规律都直接影响着复合材料整体的力学性能。u 所以研究界面特性对Cf/SiC复合材料力学性能的影响具有重要意义。化学结合即互扩散结合。其界面反应主要是Si原子向纤维内部的扩散，这种扩散使得SiC基体与纤维结合很强，并且对纤维本体造成很大的损伤。若要改善，可通过在碳纤维表面制备氧化涂层来实现。例如，纤维表面涂覆氮化硼（BN）、富碳SiC、SiC、硼(B)等涂层。物理结合主要是指范德华力和氢键，还与纤维的比表面和粗糙度有关。同时，复合材料中内应力也是形成这种结合重要原因。解决纤维与基体之间热膨胀系数不同的方法有两种:1.在界面处人为的引入中间过渡层2.调整SiC基体的热膨胀系数使其与碳纤
6、维的热膨胀系数相近3.1.1界面结合形式3.1.2界面作用传递作用:界面层需要具备一定的强度，将载荷由基体传递至增强相碳纤维;隔离作用:在高温或者有氧环境下，界面层可以抑制基体和纤维之间发生原子扩散反应导致的结合强度增加，从而保持材料优异的韧性;保护作用:减缓和避免纤维在制备过程中因高温或化学反应引起的损伤;应力缓释作用:裂纹由基体传递至界面层时，在界面处或者界面层内部以扩散的方式发生偏转，每一基体裂纹产生大量更细小的裂纹，拓展了裂纹传递的途径Cf/SiC复合材料在高温下，基体的原子扩散增强，更容易在界面形成固溶体和化合物，韧性较差，严重制约了其优良的性能和实际的应用。因此，提高陶瓷材料的韧性
7、是Cf/SiC复合材料发展的重要课题之一。3.1.3复合材料的增韧机制纤维增韧SiC陶瓷增韧机理主要是纤维的拉伸和桥联作用，纤维增韧的作用取决于纤维和SiC陶瓷基体的结合强度、排列方式、纤维含量和长径比等。纤维的拉伸和桥联作用使纤维把裂纹桥接起来，在裂纹表面产生一个压应力，抵消外加拉应力，从而起到增韧作用。相变增韧SiC陶瓷主要用于提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度。增韧机理主要包括:裂纹尖端的应力场引起的体积膨胀和断裂表面吸收能量、相变诱发的残余压应力、防止裂纹的增长使他们转动和分叉、相变诱发微裂纹和晶粒细化等。根 据 实 际 应 用 领 域 的 需 求 以 及Cf/SiC复合材料的性能需求的
8、不同，已开发出以下几种制备工艺:l 化学气相渗透法（CVI）l 先驱体转化法（PIP）l 浆料浸渍烧结法l 液相硅浸渍法（LSI）l 一些综合的制备工艺。复合材料的研究进展目前，由于Cf/SiC复合材料的兴起，国内外众多研究者展开了对Cf/SiC复合材料的研究，主要是在制备方法与工艺上，所制备的复合材料力学性能各有差异。国内外制备工艺研究现状Cf/SiC复合材料有着比强度高、比模量高、耐疲劳、热膨胀系数小、尺寸稳定等优异性能，且在真空环境中显示出优异的特性，有着非常广阔的应用前景。不仅在航天航空领域得到广泛的应用，还应用于军事工业、机械工业、生物医学、能源技术和环境保护等领域，而且Cf/SiC
9、复合材料作为耐高温的复合材料一直被各国研究者所重视。复合材料的性能与应用展望近年来，Cf/SiC复合材料的研究已取得了长足的发展，但其制备工艺还不具备大批量生产的能力，这极大地限制了其在民用领域的发展应用。因此，今后的研究应重点解决以下几个方面的问题降低生产成本优化制备工艺强化理论研究深入机理研究挖掘应用潜力参 考 文 献【1】Design of High Preformance CMC Brake DiscsJ.Krenkel Walter,Henke T.Key Engineering Materials.1999(164)【2】In-Situ Joined CMC ComponentsJ.Krenkel Walter,Henke T.,Mason N.Key Engineering Materials.1997(127)【3】碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展A.文章苹,张永刚.第三届中国国际复合材料科技大会论文集C.2017【4】连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究进展J.陈明伟,谢巍杰,邱海鹏.现代技术陶瓷.2016(06)【5】尹洪峰,徐永东,成来飞,等.连续碳纤维增韧SiC复合材料的制备与性能研究.硅酸盐学报,2000,28(5):437-440.THANK YOU 请批评指 正
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