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33一、引言随着现代科学和技术的发展，许多新的空间能源和技术领域，特别是航空、军事或尖端科学领域，如发动机、航空航天热保护系统、原子能，在新材料需求量最大的领域，特别是高温物质结构，其密度低，高强度高，耐久性高，耐高温，耐腐蚀性能。
例如，航空发动机主要依赖进口温度前的涡轮机，而进口温度前的涡轮机被认为在10度时，涡轮机的顶部涡轮机最高可达1 650℃。
在这种高温下，传统的超合金材料已不再符合要求，因此研究人员的研究重点转到了碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。
二、复合材料的研究进展1.复合材料的制备工艺（1）CVI工艺CVI是在CVD基础上进行研究的。
主要的准备过程是：第一，碳纤维预制件放在一个密闭的反应室里，采用高温环境下的蒸汽渗透法将反应气体过滤到预制件内或表面，以产生陶瓷基质的化学反应。
就CF/SIC化合物而言，CVI的准备工艺通常以诸如MTS、TMS、H 2和AR 等反应气体为基础，这些气体在高温抽取，以便在碳纤维预制件上储存陶瓷sic 基体。
这种工艺的优点是: 合成陶瓷基本材料通常是在低于基底熔点的温度下制备的，纤维与基底之间不会发生高温化学反应，材料中的残留电压很小，纤维本身的损害较小，因此，它可以确保复合材料结构的完整性；它能够以复杂的方式用一个很大的纤维体积部分加工CF/SIC复合材料。
主要缺点是: 随着渗透率的提高，纤维预制结构内的毛孔变小，渗透率变慢，导致生产周期较长，设备复杂，准备成本高；成品的多孔性和材料的低密度影响了复合材料的特性。
由于这一进程的缺点，其效用受到限制。
为了提高沉积效率、降低成本和缩短准备时间，研究人员目前开发了若干方法，包括热梯度法和在某种程度上改进CVI工艺的其他工艺。
（2）PIP工艺PIP是近年发展的一种制备工艺，工艺比较简单，而且制备环境要求低，因此发展比教迅速，并受到广泛的关注。
这一方法的基础是使用有机前体，这些前体在高温下得到分化，然后转化为无机陶瓷基体。
碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备及性能研究碳纤维增强陶瓷基复合材料是一种具有优异性能的复合材料，具有高强度、高刚度、低密度、高温耐性、抗腐蚀等优点，被广泛应用于航空、航天、汽车、新能源等领域。
本文将对碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备及其性能研究进行探讨。
1. 背景传统金属材料存在密度大、重量重、强度低等问题，难以满足现代工业的需求。
而复合材料的出现解决了这一问题，毫不夸张地说，“复合材料就是未来工业的材料”。
其中最为突出的就是碳纤维增强陶瓷基复合材料。
2. 制备方法制备碳纤维增强陶瓷基复合材料的方法有多种，其中最为常见的是热压法和热处理法。
热压法是将预先制备的碳纤维增强陶瓷基复合材料在高温高压下进行加热压制，使其形成连续的结构。
这种方法适用于制备块状和板状复合材料。
热处理法则是先将碳纤维增强材料进行数次高温氧化处理，使其表面形成含有氧的层，然后进行碳化处理和陶瓷化处理，最终得到陶瓷基复合材料。
这种方法适用于制备复杂形状的复合材料。
3. 性能研究碳纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的性能，如高强度、高刚度、低密度、高温耐性、抗腐蚀等，其力学性能和热学性能是研究的重点。
力学性能研究主要包括拉伸强度、屈服强度、断裂韧性等指标的测试和评估。
热学性能研究主要包括热膨胀系数、导热系数、热稳定性等指标的测试和评估。
研究表明，碳纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能远远优于传统金属材料，具有极高的强度和刚度；而其热学性能也表现出卓越的优势，具有很高的耐热性和热稳定性。
4. 应用前景碳纤维增强陶瓷基复合材料具有广泛的应用前景。
在航空和航天产业中，用以制造减重、高刚度、高强度的重要部件；在汽车产业中，用于制造轻量化结构件和发动机；在新能源领域，用于制造高温耐受的储能材料等。
总之，碳纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的性能和广泛的应用前景，能够为现代工业的发展做出巨大的贡献。
碳纤维碳化硅基体复合材料研究论文栏目:复合材料论文更新时间：2020/7/2 14:58:42 3最新杂志：•自动化与信息工程•机械•老化与应用•含能材料•红外•北京中医药大学学报•中国氯碱通讯•化工设计•印刷标准化•小型内燃机与摩托车•高分子通报•铁道工程学报摘要：本文以2.5DC/SiC陶瓷基复合材料为研究对象开展疲劳失效机理研究。
首先，开展了2.5DC/SiC陶瓷基复合材料的力学试验，获取了复合材料的拉-拉疲劳特性，发现了2.5DC/SiC陶瓷基复合材料的疲劳破坏机理。
然后，采用光学显微镜和扫描电子显微镜对C/SiC陶瓷基复合材料失效断口进行了观察分析。
通过对比失效断口形貌和细观损伤模式，对2.5DC/SiC陶瓷基复合材料疲劳破坏特征进行了讨论。
关键词：C/SiC复合材料；疲劳试验；寿命预测；断口分析陶瓷基复合材料是作为一种可以应用于极端环境的非脆性耐高温材料而产生的。
相对于其他结构材料，陶瓷基复合材料还不成熟，目前还处于发展阶段，但在一些高新领域的良好应用前景已初露端倪[1]。
疲劳是陶瓷基复合材料结构所承受的主要载荷形式之一，也是引起其破坏的主因之一。
据统计，至少有一半以上的机械破坏属于疲劳破坏[2]。
例如，航空发动机中的复合材料零件，疲劳破坏就是极为常见的失效形式。
因此，现代机械结构对材料除了强度要求之外，更提出了对疲劳性能的苛刻要求。
大量研究[3][4][5]也表明，陶瓷基复合材料在循环载荷下会发生疲劳失效。
但由于陶瓷基复合材料为非均匀多相材料，细观结构复杂，且宏观响应为各向异性，表现出的疲劳特性及失效机理较为复杂，现有针对金属的疲劳模型和理论难以应用于陶瓷基复合材料；此外，陶瓷基复合材料的基体为脆性材料，基体的失效应变远低于增强纤维，且基体开裂后会引起纤维/基体界面的脱粘。
目前研究者案例只对针刺陶瓷基复合材料的静力学失效机理开展了少量研究[6][7][8]，尚未深入研究针刺陶瓷基复合材料疲劳失效过程，也没有建立相应的力学模型。
碳纤维增强陶瓷基复合材料摘要：碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料具有密度低、高强度、高韧性和耐高温等综合性能已得到世界各国高度重视，本文将对有关碳纤维增强碳化硅陶瓷的有关信息简单介绍。
关键词：陶瓷基复合材料，碳纤维增强。
1.引言碳化硅陶瓷因具有高强度、高硬度、抗腐蚀、耐高温和低密度而被广泛用于高温和某些苛刻的环境中,尤其在航空航天飞行器需要承受极高温度的特殊部位具有很大的潜力。
但是,陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力,在断裂过程中除了产生新的断裂表面吸收表面能以外,几乎没有其它吸收能量的机制,这就严重限制了其作为结构材料的应用。
碳纤维具有比强度高、比模量大、高温力学性能和热性能良好等优点,在惰性气氛中2000℃时仍能保持强度基本不下降。
用碳纤维增强碳化硅复合材料,材料在断裂的过程中通过纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转等增韧机制来消耗能量,使材料表现为非脆性断裂。
Cf/SiC复合材料综合了碳纤维优异的高温性能和碳化硅基体高抗氧化性能,受到了世界各国的高度关注,并广泛应用在航空、航天、光学系统、交通工具等领域。
2. 碳纤维材料简介2.1碳纤维简介碳纤维是有机纤维或沥青基材料经谈话和石墨处理后形成的含碳量在85%以上的碳素纤维，是20世纪50年代为满足航空航天等尖端领域的需要而发展起来的一种特种纤维。
目前，碳纤维的生产原料分为三大体系：聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维。
其中聚丙烯腈基碳纤维由于原料资源丰富，含碳量高及碳化率高，成本低，正在被重视。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。
因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。
碳纤维增强陶瓷基复合材料力学性能研究碳纤维增强陶瓷基复合材料是一种具有优良性能的材料，被广泛应用于航空航天、汽车等领域。
其中，其力学性能尤为重要，本文将探讨碳纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能研究。
第一部分：碳纤维增强陶瓷基复合材料的结构和性质碳纤维增强陶瓷基复合材料是一种由高强度碳纤维和高温陶瓷基复合材料构成的材料。
其复合结构使得不同材料之间的优势互补，从而在力学性能和热学性能方面表现出优异的性能。
其力学性能包括强度、刚度和韧性等方面。
碳纤维的高强度、高刚度和低密度是其能够增强复合材料的关键特性。
而陶瓷基材的高温、耐磨、耐腐蚀和高压强等特性则使得其为高温、高压、强腐蚀等恶劣环境下的应用提供了可能。
因此，碳纤维增强陶瓷基复合材料的性能受到了广泛的关注和研究。
第二部分：碳纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能研究方法碳纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能研究需要先进行结构和物理性质的表征。
常用的表征方法包括扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X 射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）和差热分析（DSC）等。
这些方法可用于分析复合材料中组分的分布、相互作用，以及相应的物理性质，如热稳定性、热膨胀系数和热导率等。
在提取样品后，常用的力学性能测试方法包括拉伸、压缩、弯曲、剪切、冲击等实验室测试。
这些测试方法可以通过测量样品物理形变来获得相应的力学性能参数，如杨氏模量、剪切模量、弯曲模量和抗拉强度等。
此外，有限元模拟（FEM）也作为一种重要的力学性能研究方法。
有限元模拟是一种数值仿真方法，包括使用各种数学算法和计算机软件来预测材料在外部载荷下的表现。
该方法可以用于优化材料设计和预测材料性能。
第三部分：碳纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能研究进展在9O年代初，碳纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能开始被广泛研究，在实验室中进行了大量的研究。
研究发现，随着碳纤维含量的增加，复合材料的峰值强度和塑性变形能力都会提高。
随着材料科学的不断进步和科学技术的不断发展，许多新的材料和复合材料应运而生。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展及应用1研究进展近年来，随着碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料（CCR）性能优越的发现，越来越受到科学家和工程师的关注。
并且CCR的陶瓷相结构具有极高的抗热、抗冲击、抗腐蚀和耐磨性能。
然而，由于其微观和宏观机械性能调控能力较弱，该复合材料在应用中仍受到一定的限制。
近期，CCR材料的性能优势受到了很多研究者的重视，各种新型结构，复杂的组合加工工艺及增强技术被提出。
例如，抗腐蚀性能可以通过制备复合表面层来改善；抗热、抗受力能力可以通过控制碳纤维的尺寸和排列方式来改善；耐磨性能可以通过引入碳材料的碳-氧化物多层复合来增强。
最近，一些拥有改良机械性能的新制备工艺也被研究并实施，包括激光熔覆、前景碳化熔覆、快速增材成型、焊接熔覆和高速冲击等。
2应用对于碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料，主要应用于航空航天、船舶航行及军事等方面，其优越的机械性能使其成为一种非常理想的重要应用材料。
如果说航空飞机，这种复合材料可以替代大部分传统金属。
由于复合材料的轻重比和热稳定性更佳，可以帮助飞机减轻重量。
此外，其优越的抗受力和抗腐蚀性能还可以防止复合材料受到高温或低温环境的影响。
此外，由于复合材料可以克服传统金属在热响应速度受到拘束的缺点，在军事上其应用也都非常广泛。
最新研究表明，该材料很容易改变其形状，使用CCR，军事装备及其它武器物品可以取得更好的效果。
3结论碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料的研究及应用正在逐渐受到重视，复合材料的热稳定性、高抗受力和抗腐蚀性等优势在航空航天、船舶航行及军事领域都得到了广泛的应用。
此外，新的制备工艺也取得了巨大的进步，可以有效地改善复合材料的机械性能。
因此，未来碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料将有望发展出更强大的功能更适应更多应用场景。
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究 A Study of the Ceram ic M atrix Com po sitesR einfo rced by Carbon F ibers杨雪戴永耀赵广文金东明 (北京航空材料研究院 Yang Xue D ai Yongyao Zhao Guangw J in Dongm ing (In stitu te of A eronau , B eijing [摘要 ]使用 CVD ,全渗入到基体里面。
这是由于“瓶颈” 效应所致 , , 进而封闭了通向大气孔的入口。
为此 , ( 通过控制反应气体通道位置和试样的加热位置 , , 使用 PCCVD 技术制造的 C Si C 复合材料 , 。
[]O ne of the p rob lem s w ith the u se of CVD techn iques to den sify the ceram ic m a 2 trix reinfo rced by fibers is the difficu lty in ach ieving com p lete infiltrati on 1T h is is due to “ bo ttle 2 neck ” effects in w h ich the CVD m atrix clo ses off s m all po res , w h ich in tu rn b lock s access to larg 2 er po res 1To th is end a new m ethod , po siti on con tro l CVD (PCCVD , to overcom e the difficu lty above m en ti oned is p resen ted1B y m ean s of con tro lling the reach ing po siti on of react gases and the heating po siti on in m atrix , the clo se po res in the m atrix den sified by PCCVD techn ique have no t com e in to being from start to fin ish 1T here are on ly a few , if any , po res in m atrix and the den sity of C Si C com po sites m anufactu red by PCCVD techn ique can ach ieve 96%of theo retical den sity 1 Keywords carbon fibers reinfo rcedceram ic m atrix com po sites1引言发展更高效率热机的关键在于提高工作温度 , 而提高工作温度之关键又取决于更高工作温度材料的研制。
镍、钴基高温合金已发展到接近其使用温度的极限 , 因此要进一步提高发动机的效率 , 就必须研制和发展陶瓷基复合材料。
连续纤维增强陶瓷基复合材料 (CFCC 是最有希望满足发动机高温部件要求的材料 , 而制造 CFCC 的工艺则是其中最关键的问题。
传统的热压烧结工艺会大大损伤纤维 , 并使纤维和基体发生严重的化学反应 [1~3]。
溶胶 2凝胶法 (so l2gel 和化学气相沉积 (CVD 或渗透 (CV I 则是制造 CFCC 的较好方法 , 但使用溶胶 2凝胶法生产出的复合材料密度较低 , 制造温度仍较高 (约 1300~1400℃ , 而且还需加压 , 不够理想。
而 CVD (CV I 只能沉积简单的薄壁件 , 如单层纤维薄片或薄壳型材料。
对于粗厚型件内部往往出现孔洞 , 存在着致密性差 (一般只能达到理想密度的 70%~ 80% [4]、不易成型且沉积时间过长等问题。
为了解决上述问题我们提出了一种新工艺新方法 PCCVD 即位控化学气相沉积法 , 并进行了初步试验。
2实验方法211实验材料通过 PCCVD 来制造碳纤维增强碳化硅复合材料。
本工艺选用高模量碳纤维 (抗张强度为 212GPa , 抗张模量为 360GPa , 密度为 118g c m 3 和甲基三氯硅烷 (M T S 。
M T S 的纯度约为 94%。
使碳化硅基体沉积在碳纤维预制件上。
212PCCVD 的原理在传统的 CVD 工艺中 , 反应气体是通过载气 (或许参加也可能不参加反应携带到加热的预制件上 , 在预制件的表面 , 气体反应形成固体沉积物 , 而反应生成的・ 9 1・碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究气体由载气带出沉积系统。
在沉积过程中 , 整个预制件里外同时沉积 , 由于预制件的外部比内部有更多的机会接触反应气体 , 而迅速达到完全沉积。
结果 , 通向预制件内部的入口被封闭 [5], 使得反应物从反应气体到预制件内部纤维表面的物质交换和生成物从纤维表面到主气流的物质交换变得非常困难。
最后 , 从复合材料的表面上看 , 得到了完全的沉积 , 但其内部存有较多的气孔。
另一方面 , 由于复合材料的表面是不受限制的沉积 , 所以复合材料的外形达不到所规定的尺寸要求。
PCCVD 通过控制试样的加热位置 , 控制反应气体通道位置 , 从而达到控制沉积位置的三位控沉积法。
PCCVD 不是在整个试样上同时沉积 , 而是在一个不断移动的截面上沉积 , 沉积部分的交界面 , 称为沉积界面。
的一端移到另一端时 , 程中 , 的 , , 全部是开口沉积。
, 试验中最高可达其理论密度的 96%。
图 1为PCCVD的工艺简图。
图 1 PCCVD 的工艺简图F ig 11 T he schem atic of PCCVD technique1模子中的温度分布 ; 2温度分布 ; 3温度峰 ; 4完全沉积部分 ; 5未沉积部分 ; 6模子和预制件 ; 7沉积界面的移动方向 ;8气体试剂的流动方向 ; 9模子的移动方向 ; 10沉积界面上主气流的流动方向 ; 11沉积界面PCCVD 技术很复杂 , 由于整个过程中发生着物理和化学变化及相互作用 , 使用 PCCVD 制造的复合材料其性能受很多因素的影响 , 如 :碳纤维的类型、模子和预制件的设计及 M T S 的纯度等 , 但最重要的先决条件包括 :(1 靠近沉积界面有一陡的温度梯度并且该温度峰值等于沉积温度 ;(2 沉积界面上温度梯度的方向基本与主气流的流动方向垂直。
在放试样的模具内部与外部应产生一定的压力差 , 迫使反应气流经沉积界面后流出 ;(3 沉积界面以一定的速度在沿温度梯度方向移动并且移动速度必须与预制件中碳化硅的沉积速度相匹配 ;(4 将反应气体引入模子通过沉积界面 , 迫使其在沉积界面上进行反应 , 然后由泵将反应后的气体从模子中抽出。
213模具模具的设计是 PCCVD 中重的一环。
本实验采用石墨模具。
气体全部流经试样 , 2的反应室示于图 2。
反应室由石英制成 , 其中部有一个具有特定几何形状并能在长度方向产生温度梯度 (参见图 1 的石墨感应发热体。
最初将装有碳纤维的模子置于石墨感应发热体的下端 , 当将模子以适当的速度移进感应发热体里时 , 其移进石墨感应体里的部分通过辐射加热形成一个达到沉积温度的热区。
M T S 和载气通过一根管子被直接插进模子内部。
反应室里为负压。
由于模子与管子间的密封 , 把气体送入相对于反应室为正压的预制件内部 , 这样模子内部与外部间会产生一个压力差 , 迫使气体流过碳纤维预制件。
移进沉积温度区的碳纤维预制件部分开始沉积 , 而未移进该区的部分仍有气体流过 , 沉积界面上的沉积随模子逐渐移进感应发热体逐步地进行 , 一旦基体达到完全沉积时流过模子的气体将被阻止。
图 2 PCCVD 反应室的简图F ig 2 Schem atic of the reacto r cham ber used fo r PCCVD ・02・材料工程 1999年 2期3实验结果与讨论PCCVD 是制造纤维增强陶瓷特别是连续纤维增强陶瓷复合材料的新方法。
通过改变 PCCVD 的工艺参数来研究其对沉积的影响程度 , 以便控制沉积条件。
本实验用于沉积的标准条件为 :沉积温度 1150~ 1250℃ , 气流速度为60c m 3 m in , 氢气与 M T S 之比为 10 1, 模子移动速度 (也可以说是沉积界面移动速度为 015mm m in 。
碳纤维预制件的尺寸为 3mm ×4mm ×50mm 。
纤维的体积含量约为 50vo l %。
由 PCCVD 制造(a 1200× (b 1000×图 3用 PCCVD 制造的 C Si C 的 SE M 像F ig 13 T he SE M of C Si C m anufactured by PCCVD的 C Si C 复合材料 SE M 分析结果示于图 3a 和图 3b 。
由图 3a 可见 , 所有的碳纤维几乎都被 Si C 基体所包围 , 其中几乎不含气孔。
由图 3b 可以看出 , 由于模子的移动速度较高 , 仍存在着一些气孔。
按上述条件制备的 C Si C 复合材料 , 当模子移动速度为 215mm 30m in 、纤维体积含量为 50vo l %时 , 其密度已达到 2144g c m 3, 试样密度为理论密度的 96%。
PCCVD 能沉积出比较致密的试样的关键所在是必须使沉积界面上有新鲜的反应气体流过。
如果模子移动速度过慢 , 该工艺反应时间将很长 , 而其速度过快 , 碳化硅基体中将有很多气孔。
气孔的形成与模子移速度之间的关系如图 4所示。
其中图 4a , 由于模具的推进速度和 Si C 的沉积速度相匹配 , 因此沉积界面比较平坦。
而图 4b 则因推进速度较快 , 在沉积界面上还未沉积好 , 高温区已推向前进 , 致使已有的沉积界面未沉积好 , 又形成新的沉积界面 , 从而形成一个开口的瓶状的未沉积区。
这时 , 反应气体难以进入“瓶”内 , 而“瓶”口由于接触新鲜的反应气体较多沉积速度快 , 最终如图 4c 所示 , 把“瓶”口封死 , 形成孔隙。
因此 , PCCVD 的关键是在沉积温度下 , 硅烷气体供应充足时 , 模具的推进速度必须等于或小于 Si C 沉积速度。
这时 , 存在一个最大移动速度。
影响复合材料密度的主要参数为模子的移动速度和纤维体积分数 , 一般说纤维的体积分数愈大允许的模子移动速度愈快。
