先进结构陶瓷的研究

《先进结构陶瓷的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、三维机织结构碳纤维增强陶瓷基复合材料的性能研究摘要:连续纤维增强陶瓷基复合材料(ContinuousFiberReinforcedCeramicMatrixComposites,简称CFRCMC)具有比单相陶瓷高得多的断裂韧性和尺寸稳定性，有效克服了对裂纹和热震的敏感性，同时还具有高比强、高比模和耐磨损以及热稳定性好等优点，因此己被广泛应用在航空航天、能源、化工等重复使用的热防护领域。木文采用真空辅助转移法以及热压烧结成形工艺成功研制了一种三维机织结构碳纤维增强二氧化硅复合材料的制备方法，通过弯曲性能测试、冲击性能测试以及断而SEM形貌

2、分析来研究复合材料的力学性能、微观结构以及增韧机制。实验表明，三维增强后的经纬向弯曲强度分别是66.87MPa>102.33MPa,弹性模量达到71.43GPa,与纯二氧化硅陶瓷基材料相比，弯

3、11

4、性能明显提高。关键词:三维机制结构复合材料，二氧化硅陶瓷基复合材料，断裂性能。1.前言现代科学技术的迅速发展，对新材料的研究和应用不断提出更高的要求。单一类型的材料开发已逐渐不能满足高性能结构材料的发展和应用，尤其是能源、空间技术、航空航天和汽车工业等的发展，不仅耍求T程材料具备良好的机械性能，而且要求具备良好的物理化学性能，如耐高温、比重

5、、耐腐蚀及抗氧化山。陶瓷材料具有高强度、高便度、耐腐蚀和极好的耐高温性能，广泛应用于高性能结构材料中。其中，连续纤维增强陶瓷基复合材料(ContinuousFiberReinforcedCeramicMatrixComposites,简称CFRCMC)具有比单相陶瓷高得多的断裂韧性和尺寸稳定性，有效克服了对裂纹和热震的敏感性，同时还具有高比强、高比模和耐磨损以及热稳定性好等优点，已经在航空航天、能源、化工等重复使用的热防护领域显示出巨人的优势。国内外学者对前两类増强方式的陶瓷基复合材料进行了比较深入的研究。在单向纤维增强CMC屮，连续的

6、长丝纤维通过缠绕或舗层成型，材料在沿纤维轴向上具有较高的性能，但偏离纤维轴向上的强度很低，材料的各向异性明显。二维织物增强的CMC采用铺层模压的方式成型，在面内具有很好的性能，但层间剪切强度低，易分层。1992年美国有人提岀了Z—pin增强的方法⑸达到树脂基复合材料层压板厚度方向增强的目的。2001年H本空间公司实验室⑷设计的空天总行器HOPE—X上的陶瓷基复合材料热防护结构也采用了该技术，对二维编织陶瓷基复合材料的层压板防护瓦进行Z向增强。对于三维织物的增强方式，谢正芳、郑文伟等⑵人分别研究了三维编织物陶瓷基复合材料的制备工艺和性能表

7、征，而对于三维机织物陶瓷基复合材料的研究还比较少。三维织物增强的CMC具有良好的力学性能和结构整体性，是最为理想的增强结构，但由于制造工艺复杂，制备周期长，生产成本高，限制了其应用范时讥2.三维机织结构碳纤维展纳米管增强二氧化硅复合材料的制备2.1.主要原料H本东丽公司生产的聚丙烯睛基碳纤维(PAN),每股丝数为3000根(3K),•其力学性能参数如下表2—1。表2—1碳纤维性能参数名称拉伸强度(GPa)拉伸模量(GPa)伸长率(%)密度(g•cm3)纱线线密度(tex)T3OO-3K3.532301.51.76198基体二氧化硅粉体是

8、以高纯石英玻璃管经破碎、球磨和酸洗而制成。粉体经原子吸收光谱(ICP)分析，SiO2含量为99.28wt.%o粉体平均直径为4.8pm。多壁碳纳米管，深圳纳米港公司异丙醇为分散剂(isO-propylalcohol),由上海凌峰化学试剂有限公司提供。浚甲基纤维素(CMC)为结合剂。2.2.制备工艺(1)称取400g熔融石英粉末，按去离子水和粉料质量比2:3配制浆料，同时加入1.5vol.%的粘结剂梭甲基纤维素(CMC)和分散剂界丙醇，磁力搅拌2h。(2)分别取0.3g、3g碳纳米管颗粒置于烧杯中，加入0.6vol.%异丙醇分散剂和100

9、ml去离了水。超声分散2h后，与步骤1中的熔融石英浆料充分混合lh,制备成含有0.05wt.%、0.5wt.%多壁碳纳米管(MWCNT)的二氧化硅浆料。(1)选用规格为3K的碳纤维织造由3层经纱4层纬纱组成的三维机织结构碳纤维增强二氧化硅陶瓷预制件，经密为3根/cm,纬密为3根/cm。每次引纬后，在纬纱方向插入直径为5mm的细管(塑料材质)(2)织造完成后，将100mmX100mm的预制件充分浸渍于二氧化硅浆料，取出置于80°C的烘箱小干燥30mino完全千燥后，将预制件屮的细管抽出。(3)采用真空辅助转移法(VARTM),使二氧化硅浆

10、料通过细管留出的空隙从预制件的一端流至另一端，使得二氧化硅浆料充分填充于碳纤维预制件的空隙，在90°C的烘箱中干燥10h,制成三维机织结构碳纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料素坯。2.三维机织结构碳纤维纳米管增