新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究及进展

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1、新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展ProgressinResearchWorkofNewCMC-一SiC［摘要］新沏碳化硅陶瓷基复合材料具冇密度低、高强度、高韧性和耐高温等综合性能已得到世界各岡高度重视，本文主要介绍了新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究和发展现状，阐述了CVI-CMC-SiC制造技术在我国的研究进展，开展了CVI-CMC-SiC的性能与微结构特性的研究和CVI过程控制及其对性能影响的研究，研制了多种CMC-SiC和其构件。材料性能和整体研究与应用水平已跻身于国际先进行列。关键词：CVI制造技术CMC-SiC微结构应用研究碳

2、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［1］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,在断裂过程屮除了产生新的断裂表而吸收表而能以外，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°C吋仍能保持强度基木不下降。用碳纤维増强碳化硅复合材料，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

3、断裂。CMC-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。CMC—SiC具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀、抗氧化和低密度等特点,其密度为2〜2.5g/cm3,仅是高温合金和铌合金的1/3〜1/4,钨合金的1/9〜1/10。CMC—SiC主要包拈碳纤维增韧碳化硅（C/SiC）和碳化硅纤维增韧［2］碳化硅（SiC/SiC）两种，由于碳纤维价格便宜且容易获得，因而C/SiC成为SiC陶瓷基复合材料研究、考核与应用的首选。CMC—SiC的应用可

4、覆盖瞬时寿命（数十秒〜数百秒）、有限寿命（数十分钟〜数十小时）和长寿命（数百小时〜上千小时）3类服役环境的需求。用于瞬时寿命的固体火箭发动机，C/SiC的使用温度可达2800〜3000°C;用于有限寿命的液体火箭发动机，C/SiC的使用温度可达2000〜2200°C;用于长寿命航空发动机，C/SiC的使用温度为1650°C,SiC/SiC为1450°C,提高SiC纤维的使用温度是保证SiC/SiC用于1650°0的关键。由于C/SiC抗氧化性能较SiC/SiC差，鬧内外普遍认为，航空发动机热端部件最终获得应用的应该是SiC/SiC。因

5、此CMC—SiC被认为是继碳一碳复合材料(C/C)[3]之后发展的乂一新型战略性材料，可大幅度提高现冇武器装备和发展未来先进武器装备性能，发达W家都在竞相发展。此外，CMC—SiC在核能、高速刹车、燃气轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等方面还冇广泛应用潜力。1、我国CVI—CMC—SiC制造技术的研究进展CMC—SiC的制造方法宥反应烧结(RB),热压烧结(HP),前驱体浸渍热解(PIP),反应性熔体渗透(RMI)以及CVI,CVI-PIP,CVI-RMI和PIP—HP等。CVI是口前唯一已商业化的制造方法，其适应性强，原理上适用

6、于所有无机非金属材料，可制造多维编织体复合材料的界面层、基体和表面涂层。CVI必须使气相反应物渗透到纤维预制体的每一根单丝纤维上，而单丝的最小间跑仅为lum左右，因此CVI过程的控制比CVD困难得多。与其他成型方法相比，CVI法制造CMC具冇制备温度低(~ioo(rc);气相渗透能力强，便于制造人型、薄壁、复杂的近终形构件，能对基体、界面和表面层进行微观尺度的化学成分与结构设计。CVI法的主要缺点是工艺控制难度大，法国从发明CVI法制造CMC—SiC到形成规模生产花费了近20年，其他M家过然也对CV1法制备CMC—SiC进行了不少研究

7、，但是均未形成商品化技术。CVI法生产周期比较长，因而一般认为成本高，排放的尾气产物复杂并冇污染性，0前国际布场上还没冇适用的定型CVI设备出售。2、CVI过程的控制及其对性能的影响2.1CVT过程的评价参数评价CVI致密化过程可用密度P(孔隙率)、致密化速度v(吋间)和渗透率I等参数来表征。I值越大，预制体内部纤维束上沉积越多，复合材料的密度梯度越小，沉积物分布越均匀；反之，在预制体外部沉积越多，密度梯度越大。致密化速度越快，渗透率越高，材料密度越高，表明CVI技术也越先进。2.2致密度对CVT—CMC—SiC性能的影响CVI工艺参

8、数的优化口标是提高致密度、致密化速度和密度均匀性，而致密度是CVl-CMC-SiC性能的决定性影响因素。致密度增加，材料的弯曲强度、断裂韧性和断裂功均宥明显增加；致密度增加，基体与纤维之间的载荷传递效采提高，纤维的增韧补