碳纤维增强陶瓷基复合材料
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建筑材料的新型复合材料有哪些在现代建筑领域,新型复合材料的出现为建筑设计和施工带来了更多的可能性。
这些新型复合材料具有优异的性能,能够满足各种复杂的建筑需求。
接下来,让我们一起了解一下建筑材料中一些常见的新型复合材料。
纤维增强复合材料(FRP)是目前应用较为广泛的一种新型复合材料。
FRP 通常由纤维材料(如碳纤维、玻璃纤维等)和树脂基体组成。
碳纤维增强复合材料(CFRP)具有高强度、高刚度和轻质量的特点。
它在加固老旧建筑结构方面表现出色,能够有效地提高结构的承载能力和抗震性能。
玻璃纤维增强复合材料(GFRP)则具有较好的耐腐蚀性,常用于海洋工程和化工建筑等环境恶劣的场所。
FRP 材料还可以被制成板材、筋材和索材等形式,应用于桥梁、高层建筑和大跨度空间结构中。
聚合物基复合材料(PMC)也是一类重要的新型建筑材料。
PMC以高分子聚合物为基体,加入各种增强材料,如纤维、颗粒等。
其中,纳米复合材料是近年来的研究热点。
通过在聚合物基体中加入纳米级的填料(如纳米黏土、碳纳米管等),可以显著提高材料的力学性能、热性能和阻隔性能。
例如,纳米复合材料制成的建筑涂料具有更好的耐候性和自清洁功能,能够延长建筑物的外观保持时间。
金属基复合材料(MMC)在建筑领域也有一定的应用。
铝基复合材料具有较高的比强度和比刚度,同时还具有良好的导热性和导电性。
它可以用于制造建筑中的结构件和装饰件,如窗框、扶手等。
钛基复合材料则具有优异的耐高温和耐腐蚀性,适用于一些特殊环境下的建筑应用。
陶瓷基复合材料(CMC)具有高强度、高硬度、耐高温和耐磨损等优点。
在建筑领域,CMC 可以用于制造高温炉窑的内衬、耐磨地面材料等。
然而,CMC 的成本相对较高,限制了其在一些大规模建筑项目中的广泛应用。
智能复合材料是另一类具有创新性的新型建筑材料。
这类材料能够感知外界环境的变化,并做出相应的响应。
例如,形状记忆合金复合材料可以在一定条件下恢复到预先设定的形状,这在自适应结构和抗震结构中具有潜在的应用价值。
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。
纤维增强陶瓷基复合材料的制备及其发展和应用摘要:作为结构材料,陶瓷具有耐高温能力强、抗氧化能力强、硬度大、耐化学腐蚀等优点,缺点是呈现脆性,不能承受剧烈的机械冲击和热冲击,因而严重影响了它的实际应用.为此,人们通过采用连续纤维增韧方法改进其特性,进而研发出连续纤维增强陶瓷基复合材料。
该种材料采用碳或陶瓷等纤维进行增强,使陶瓷基体在断裂过程中发生裂纹偏转,纤维断裂和纤维拔出等的同时,吸收能量,既增强了强度和韧性,又保持了良好的高温性能。
本文主要是综述了陶瓷基连续纤维增强复合材料的制备方法,并分析了各种工艺的优缺点。
在总结了现阶段连续纤维增强复合材料研究中存在的问题的基础上,提出了今后连续纤维增强复合材料的主要研究方向。
关键字:陶瓷基增强复合材料连续纤维制备方法目录1 引言 (2)1.1 前言 (2)1.2 陶瓷基复合材料的基本介绍和种类及其应用前景 (3)1.2.1陶瓷基复合材料的基本介绍 (3)1.2.2纤维增强陶瓷基复合材料的主要种类 (4)1.2.3 陶瓷基复合材料的应用前景 (5)1.3国内外的研究成果 (5)1.4 实验研究内容 (8)2 连续纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法 (8)2.1料浆浸渍和热压烧结法 (8)2.2 直接氧化沉积法 (9)2.3溶胶-凝胶法 (10)2.4化学气相法 (10)2.5 先驱体转化法 (10)3结束语 (11)参考文献 (12)1 引言1.1 前言科学技术的发展对材料提出了越来越高的要求,陶瓷基复合材料由于在破坏过程中表现出非脆性断裂特性,具有高可靠性,在新能源、国防军工、航空航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景。
陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composite,CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料,使之增强、增韧的多相材料,又称为多相复合陶瓷 (Multiphase composite ceramic)或复相陶瓷(Diphase ceramic)。
碳陶复合材料
碳陶复合材料是一种新型的复合材料,由碳纤维和陶瓷基体组成。
碳纤维具有
高强度和高模量的特点,而陶瓷基体具有优异的耐磨性和耐高温性能,两者结合后形成的碳陶复合材料具有优异的综合性能,被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶建造、体育器材等领域。
首先,碳陶复合材料具有优异的力学性能。
碳纤维的高强度和高模量使得碳陶
复合材料具有很高的强度和刚度,能够承受较大的载荷而不易发生变形和破坏。
同时,陶瓷基体的高硬度和耐磨性使得碳陶复合材料具有良好的耐磨性能,适合用于制造高速运动部件和耐磨零部件。
其次,碳陶复合材料具有优异的耐高温性能。
碳纤维的耐高温性能使得碳陶复
合材料能够在高温环境下工作,不易软化和熔化。
这使得碳陶复合材料成为航空航天领域的理想材料,能够用于制造发动机零部件、导弹外壳等高温工作环境下的部件。
另外,碳陶复合材料还具有良好的耐腐蚀性能。
由于碳纤维和陶瓷基体都具有
较好的化学稳定性,碳陶复合材料能够在恶劣的化学环境下工作,不易发生腐蚀和氧化,因此在化工领域也有着广泛的应用前景。
总的来说,碳陶复合材料具有优异的综合性能,能够满足各种工程领域对材料
的要求。
随着科技的不断进步,碳陶复合材料的制备工艺和性能将得到进一步提升,相信其在未来会有更广泛的应用前景。
碳纤维增强陶瓷基复合材料
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,结合了碳纤维和
陶瓷的优点,具有高强度、高刚度、高耐热性和耐磨性等特点,因此在航空航天、汽车制造、工程建设等领域得到广泛应用。
组成
碳纤维增强陶瓷基复合材料主要由碳纤维和陶瓷基体组成。
碳纤维作为增强材料,具有优异的机械性能,可以增加复合材料的强度和刚度;陶瓷基体作为基体材料,具有良好的耐热性和耐腐蚀性,可以提高复合材料的耐高温和耐磨性能。
特点
1.高强度和高刚度:碳纤维增强陶瓷基复合材料具有很高的拉伸强度
和模量,能够承受较大的载荷;
2.耐热性:陶瓷基体具有优良的耐高温性能,适用于高温环境下的使
用;
3.耐腐蚀性:陶瓷基体对酸碱等腐蚀介质具有较好的稳定性;
4.耐磨性:碳纤维的高强度和陶瓷的硬度结合,使复合材料具有较好
的耐磨性。
应用领域
碳纤维增强陶瓷基复合材料在航空航天、汽车制造、工程建设等领域得到广泛
应用。
在航空航天领域,碳纤维增强陶瓷基复合材料被用于制造飞机结构件和燃气涡轮引擎零部件,以提高飞机的性能和降低重量;在汽车制造领域,碳纤维增强陶瓷基复合材料被用于制造车身结构件和制动系统,以提高汽车的安全性和燃油效率;在工程建设领域,碳纤维增强陶瓷基复合材料被用于制造建筑结构件和桥梁构件,以提高建筑物的抗震性和耐久性。
综上所述,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,将
在未来得到更广泛的应用和推广。
陶瓷基复合材料的制备方法与工艺随着科学技术的不断发展,陶瓷基复合材料在工业生产和科学研究中得到了广泛的应用。
陶瓷基复合材料具有优良的耐磨性、高温稳定性和化学稳定性,因此在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域有着重要的地位。
本文将介绍陶瓷基复合材料的制备方法与工艺。
一、陶瓷基复合材料的制备方法1. 热压法:热压法是一种常用的陶瓷基复合材料制备方法。
首先将陶瓷粉末与增强相(如碳纤维、玻璃纤维等)混合均匀,然后将混合物放入模具中,经过一定的温度和压力条件下进行热压,使得陶瓷粉末和增强相充分结合,最终得到陶瓷基复合材料制品。
2. 溶胶-凝胶法:溶胶-凝胶法是一种制备陶瓷基复合材料的新型方法。
首先将陶瓷前驱体(如硅酸酯、铝酸盐等)与增强相混合,在一定的条件下形成溶胶,然后通过凝胶化过程使得溶胶形成凝胶,最终通过热处理制备出陶瓷基复合材料。
3. 拉伸成型法:拉伸成型法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法。
首先将陶瓷粉末与增强相混合,然后通过拉伸成型设备将混合物进行拉伸成型,最终得到纤维增强的陶瓷基复合材料。
二、陶瓷基复合材料的制备工艺1. 原料选择:在制备陶瓷基复合材料时,需要选择优质的陶瓷粉末和增强相。
陶瓷粉末的选择应考虑其颗粒大小、形状和化学成分,而增强相的选择应考虑其强度、刚度和耐热性能。
2. 混合均匀:在制备过程中,陶瓷粉末和增强相需要进行混合均匀,以确保最终制品的性能稳定。
3. 成型工艺:根据不同的制备方法,成型工艺也有所不同。
在热压法中,需要选择合适的温度和压力条件;在溶胶-凝胶法中,需要控制好溶胶和凝胶的形成过程;在拉伸成型法中,需要控制好拉伸成型设备的参数。
4. 烧结工艺:烧结是制备陶瓷基复合材料的重要工艺环节,通过烧结可以使得材料颗粒之间结合更加紧密,提高材料的密度和强度。
5. 表面处理:在制备陶瓷基复合材料的最后一道工艺中,可以对制品进行表面处理,如抛光、涂层等,以提高制品的表面质量和外观。
碳纤维增强陶器基复合材料性能实验表征【引言】碳纤维增强陶器基复合材料具有轻质、高强度、高硬度、抗磨损、耐高温等优异的性能,因此在航空航天、汽车工业、船舶制造等领域有着广泛的应用。
为了更好地了解和掌握碳纤维增强陶器基复合材料的性能特点,对其进行实验表征是十分必要的。
本文将从力学性能、热稳定性、耐磨性和导热性能四个方面进行详细的介绍和分析。
【力学性能表征】碳纤维增强陶器基复合材料的力学性能包括弹性模量、抗拉强度、屈服强度和断裂韧性等指标。
通过拉伸试验和弯曲试验可以得到这些指标。
实验结果显示,碳纤维增强陶器基复合材料具有较高的弹性模量和抗拉强度,同时具有良好的断裂韧性,这使得该材料在工程结构领域具有较大的应用潜力。
【热稳定性表征】热稳定性是碳纤维增强陶器基复合材料的关键性能之一。
提高材料的热稳定性能可以增加其在高温环境下的使用范围。
实验研究表明,碳纤维增强陶器基复合材料在高温下仍然能够保持结构的完整性和性能的稳定性。
这得益于碳纤维和陶瓷基质的互补作用,碳纤维能够抵抗高温氧化和热膨胀,而陶瓷基质能够提供良好的耐热性能。
【耐磨性表征】耐磨性是评价碳纤维增强陶器基复合材料耐用性的重要指标之一。
实验表征耐磨性的常用方法包括滑动磨损试验和径向磨损试验等。
研究表明,碳纤维增强陶器基复合材料具有较好的耐磨性能,能够有效抵抗外界因素对材料表面的磨损。
这使得该材料在摩擦材料、切削工具等领域有着广泛的应用前景。
【导热性能表征】导热性能是碳纤维增强陶器基复合材料的重要性能之一,对于高温、高速工况下的工程应用至关重要。
实验测试可以得到材料的导热系数和热扩散系数等性能指标。
研究结果表明,碳纤维增强陶器基复合材料具有良好的导热性能,能够快速地传导热量,并且具备较低的热膨胀系数,这使得该材料在高温环境下具有较强的稳定性。
【总结】碳纤维增强陶器基复合材料具有出色的力学性能、热稳定性、耐磨性和导热性能。
在实验表征过程中,通过拉伸试验、弯曲试验、滑动磨损试验、径向磨损试验、导热系数测试等多种测试方法,可以准确地了解和评估碳纤维增强陶器基复合材料的性能特点。
1前言纤维增强陶瓷基复合材料以其耐高温、耐腐蚀、轻质、高强等优异的综合性能,在航空航天、国防军工、交通运输、机械化工、人体工程、体育卫生等等领域得到广泛应用和重视,成为衡量国家综合竞争能力的重要标志[1,2]。
众所周知,陶瓷材料具有优异的高温性能,但其脆性大,故常用纤维材料改善其韧性。
在众多纤维材料中,具有高强高模、良好导电性和热稳定性的碳纤维成为首选增强材料[3]。
但由于碳纤维表面呈化学惰性特性,且表面较平滑,吸附性差,使其与基体的界面结合差而不能有效地发挥其本体的增强/增韧作用。
在碳纤维增强陶瓷基复合材料中,碳纤维作为增强体主要起到承担载荷的作用,陶瓷基体主要是将增强纤维连接起来,而界面相则是起到在碳纤维与陶瓷基体间均匀地传递载荷并阻碍材料中裂纹进一步扩展的作用。
因此,界面是复合材料重要的微结构,其作为连接基体和增强体(增强纤维)的纽带,对复合材料的物理力学性能有着至关重要的影响。
界面是决定复合材料能否实现其优异性能的关键因素,界面的优化设计已成为当前复合材料研究领域的焦点。
2界面的作用和结合方式复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的曹晶晶,赵文武,姬晓利,薛应芳,常永泉(河北工程大学机械与装备工程学院,邯郸056038)其性质决定着复合材料的整体性能。
本文介绍了复合材料界面的作用和结合方式,综述了碳纤维增强陶瓷基复合材料界面的研究现状。
归纳总结了在碳纤维表面改性中常用的涂层技术和晶须生长技术,并分析了其技术的优缺点。
最后指出了未来碳纤维增强陶瓷基复合材料界面的研究方向。
复合材料;界面河北省教育厅科学技术基金资助项目(QN2017037)微小区域[4]。
界面的性质决定着复合材料的性能。
对于纤维增强陶瓷基复合材料来说,界面性能在很大程度上影响陶瓷基复合材料的断裂形式。
如当界面结合较强时,纤维不能起到承担载荷的作用而使陶瓷基复合材料呈脆性断裂;当界面结合较弱时,断裂时纤维不能充分发挥其脱粘和拔出的能耗机制,而使纤维的增韧效果不明显。
纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺纤维增强陶瓷基复合材料因其卓越的力学性能和高温稳定性而在航空航天、汽车、能源等领域得到广泛应用。
制备这种复合材料的方法有很多,以下是其中几种常见的制备工艺:一、预制法预制法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法,其基本步骤包括制备增强纤维预制体、浸渍陶瓷基体材料和烧结或热压等。
在预制法中,增强纤维预制体的制备是关键步骤之一。
根据所需的形状和尺寸,可以采用不同的编织技术,如机织、针织、非织造等方法制成预制体。
增强纤维的选择也至关重要,常用的有玻璃纤维、碳纤维、氧化铝纤维等。
浸渍陶瓷基体材料是将增强纤维预制体浸入陶瓷基体溶液中,使其均匀涂覆在纤维表面。
这一步可以借助浸渍、涂刷或喷涂等方法实现。
陶瓷基体材料的选择应与增强纤维相容,并具有高温稳定性、良好的力学性能和化学稳定性。
最后一步是烧结或热压,通过控制温度和压力,使陶瓷基体与增强纤维紧密结合在一起,形成致密的复合材料。
烧结或热压的条件应根据陶瓷基体和增强纤维的特性进行选择,以确保最佳的结合效果。
预制法的优点在于可以制备形状复杂的复合材料,适用于制备大型部件。
同时,增强纤维预制体的可设计性较高,可以根据实际需求调整纤维的排列和密度,从而优化复合材料的性能。
然而,预制法也存在一些局限性,如增强纤维预制体的制备较为复杂,且陶瓷基体与增强纤维之间的界面结合强度可能较低。
为了提高预制法纤维增强陶瓷基复合材料的性能,可以采取一些措施,如优化增强纤维预制体的制备工艺、选择合适的陶瓷基体材料和优化烧结或热压条件等。
此外,对界面进行改性处理也是提高复合材料性能的有效途径,如采用偶联剂、涂层等方法改善界面结合强度。
二、直接法直接法是一种将增强纤维直接混合到陶瓷基体中的制备工艺。
直接法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法,其基本原理是将增强纤维直接与陶瓷基体材料混合在一起,然后通过热压或注射成型等方法制成复合材料。
在直接法中,首先将增强纤维(如碳纤维、玻璃纤维等)与陶瓷粉末混合在一起,形成均匀的混合物。
题目:碳纤维增强陶瓷基复合材料
抗氧化研究
学生:
学号:
院(系):材料科学与工程学院
专业:无机非金属材料工程
指导教师:
2013 年 05月22日
碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化研究
(陝西科技大学 710021)
摘要:碳纤维增强陶瓷基复合材料( CFRCMCs) 具有良好的高温力学性能和热性能,是航空航天领域非常理想的热结构材料.但CFRCMCs 中的碳纤维极易发生氧化,因此CFRCMCs 的氧化防护问题一直是CFRCMCs 研究的热点。
文章对碳纤维改性、基体抗氧化技术、界面层抗氧化技术和表面涂层技术这四种CFRCMCs 的抗氧化技术及其原理进行了评述,分析了各类抗氧化技术的特点并对其发展趋势进行了展望.
关键词:碳纤维; 陶瓷基复合材料;抗氧化涂层,氧化保护
1 前言
碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)由于具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温、低密度等优良特性,特别是拥有良好的高温力学性能和热性能,在惰性环境中超过2 000e仍能保持强度、模量等力学性能不降低,拥有良好的断裂韧性和耐磨性能、低线膨胀系数、高热导率、高气化温度和良好的抗热震性能【1】,成为航空航天领域非常理想的热结构材料。
但是,在氧化气氛下,碳纤维增强陶瓷基复合材料中碳质材料在400℃左右发生氧化,使其优异性能难以在高温下长时间保持。
而碳纤维增强陶瓷基复合材料的许多应用环境都是具有氧化气氛的。
因此,它们在氧化气氛中的表现(包括氧化失重、机械性能的持久性等)及氧化气氛中的氧化保护一直是科研工作者非常关注的问题【2】。
碳纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化性研究主要集中在两个方面:(1)通过对基体材料的处理来增强材料的抗氧化性能,如殷小玮等通过在基体孔隙中渗入融熔Si和Cr反应生成Cr3Si来增强抗氧化性能;bruqu re等通过在碳纤维表层形成B化合物膜层来增强材料抗氧化性能;(2)通过整体抗氧化涂层增强材料的抗氧化性能。
在两种处理方式中,整体抗氧化涂层更为有效。
本文仅对整体抗氧化涂层的发展进行综述和展望。
【3】
2 抗氧化涂层的要求
抗氧化涂层的基本功能是将基体材料与外部的氧化性气氛隔离。
要有效地实现其隔离功能,抗氧化涂层体系必须满足一些基本要求:(1)涂层材料在所保护温度围稳定,涂层体系和基体材料有良好的粘接作用,涂层与基体及涂层与涂层之间
不剥落(分离);(2)涂层材料与基体间有相近的线膨胀系数(CTE);(3)涂层材料氧和碳的扩散系数低;(4)涂层材料与基体间有好的化学和物理相容性;(5)作为结构部件使用通常会受热流的冲蚀,在这种环境中使用涂层材料必须有良好的抗冲蚀性能等等【4】。
3 抗氧化涂层的材料组成
3.1 抗冲蚀层材料
抗冲蚀层的功能是阻挡氧气进入材料内部,抵抗气流冲蚀。
抗冲蚀层的材料最常用的是SiC和Si3N4。
SiC没有熔点,在2 100e由B相转变为A相,在(2 830?40)e分解;Si3N4熔点为1 900e。
两者都有极好的抗氧化功能和高温下极低的挥发性,同时SiC和Si3N4都有极高的硬度和抗冲蚀强度。
另外Al2O3、Y2O3、Ta2O5、Si2N2O、ZrO2和莫来石(3Al2O3#2SiO2)等氧化物陶瓷也可作外层涂层材料。
3.2 功能层材料
功能层的作用是形成玻璃态可流动物质封填涂层微裂纹,阻止氧的进入。
目前常用的功能层材料是能氧化形成玻璃态物质的化合物,B4C、TiB2、Si-B、Si-W、Si-Hf、Si-Zr等。
Courtois等通过CVD沉积TiB2于SiC外层下保护C/SiC,是在700e~1 100e有前途的封填材料。
硼化硅有一个独特的优点,被氧化后形成硅酸硼玻璃而没有其它产物,产物能通过硼化物的组成来确定,这意味着可以为特定的温度范围设计功能层材料[25]。
MoSi2也被用作功能层材料,氧化生成挥发性的MoO3和玻璃质的SiO2。
3.3 粘接层材料
粘接层的功能是粘接基体与涂层系统,减少涂层与基体间的线膨胀系数不匹配的影响,阻挡基体宇航材料工艺2003年第6期材料组成元素向外扩散。
粘接层材料最常用的是SiC和Si3N4,它们有与基体材料相近的线膨胀系数,为了降低线膨胀系数,可以在制备涂层时加入低线膨胀系数的材料,如BN和石英等【5】。
4、CFRCMCs的氧化防护
CFRCMCs的氧化保护是近年来复合材料研究的热点之一。
CFRCMCs的氧化防护研究主要从4个方面展开:(1)从碳纤维方面考虑,对碳纤维改性,提高纤维自身的抗氧化能力;(2)从基体方面考虑,采用抗氧化的基体材料或通过在基体中添加适当的添加剂制备裂纹可自愈合的基体;(3)从界面层考虑,为复合材料研制抗氧化界面层;(4)从材料表面着手,为CFRCMCs设计合适的抗氧化涂层。
【6】
4.1碳纤维改性
CFRCMCs在高温氧化气氛中的氧化损伤实质上是由碳纤维的氧化所引起,因此通过采取一定的措施,提高碳纤维自身的抗氧化能力,是提高CFRCMCs抗氧化性能的根本途径。
提高碳纤维的质量、采用石墨纤维、对碳纤维表面进行处理等都可以改善C/C复合材料的抗氧化性能。
对碳纤维进行高温热处理,可以提高纤维的石墨化程度,降低纤维中杂质的含量,减少杂质的氧化催化作用,从而提高纤维的抗氧化能力。
在碳纤维中引入B、H3PO4、P或硼酸等氧化抑制剂,可有效提高碳纤维的抗氧化性能【7】。
4.2基体抗氧化技术
目前研究的基体抗氧化技术主要有4类:(1)对基体进行热处理。
对于
C/C复合材料,与碳纤维的改性相类似,对碳基体进行热处理,以提高C/C复合材料的抗氧化性能。
(2)向基体中添加抑制剂。
通过一些方法向基体中添加磷酸、硼、硼化物及硅化物等抑制剂,封闭基体材料中的活性点,以达到提高复合材料抗氧化性能的目的。
(3)向基体中添加密封剂。
在基体中添加含硼或含硅材料,如B2O3、B、SiC和B4C等,这些材料在高温下氧化生成玻璃态物质,形成具有综合功能的保护膜,并将基体上的裂纹和孔隙弥合,阻止氧气向材料内部扩散,从而实现复合材料抗氧化的目的。
(4)制备多层功能陶瓷基体。
这种基体由多个陶瓷材料层和厚度特别薄的易熔材料层交替复合而成,它一方面可以允许裂纹发生多次偏转,使气体沿裂纹扩散的路径延长,避免氧化性气体直接到达碳纤维表面;另一方面,易熔材料层在高温下可以有效地封堵基体微裂纹,阻止氧气沿基体裂纹扩散,从而提高复合材料的抗氧化性能。
【8】4.3界面层抗氧化技术
用B-C、Si-B-C和Si-C作为界面层材料来提高复合材料的抗氧化能力,用莫来石界面层可明显提高Cf/Si-C-N复合材料的抗氧化性能。
通过界面层来提高CFRCMCs的抗氧化性能,理想的界面层材料应具备以下条件:①材料本身具有良好的抗氧化能力;②具有较大的热膨胀系数;③具有适当的厚度;④材料自身与碳纤维间具有良好的化学相容性,以免对纤维造成损伤。
利用界面层来提高复合材料的抗氧化性能可避免涂层技术所存在的一些问题,但如界面处理不当,则会使复合材料的力学性能出现严重下降。
【9】
4.4表面涂层技术
在CFRCMCs表面涂覆涂层可以使复合材料和氧化环境隔离,阻止复合材料发生氧化,从而大幅度升高复合材料在氧化环境中的使用温度。
目前根据涂层的形式来分主要有单层涂覆、双层涂覆及多层涂覆。
参考文献:
【1】碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化技术研究_卢国锋
【2】碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的性能与微结构_孙银洁
【3—5】碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化涂层研究进展_邹世钦张长瑞周新贵曹英斌
【6—8】连续碳纤维增强陶瓷基复合材料的氧化行为和氧化防护研究*卢国锋1,许艳2
【9】碳纤维增强陶瓷基复合材料界面的研究进展_何柏林。