csic复合材料的结构与力学性能

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1、摘要C／SiC复合材料在高推重比航空发动机、超高声速冲压发动机、航空航天往返防热系统、液体发动机和固体火箭发动机等武器装备领域，以及在先进摩擦及离合器系统等刹车工业领域具有非常广阔的应用前景。本文分别以2．5D针刺整体毡和3D编织毡为预制体，采用等温化学气掘渗透(CvI)法和等温化学气相渗透．反应熔体浸渗(cⅥ-RMI)法制备了2．5D和3D的C／Sic复合材料。观察了材料的结构和组织，测试了材料的弯曲强度、断裂韧性和拉伸强度等力学性能，研究了材料受载荷作用时的破坏过程、断裂面形貌特征和破坏机制。主要结论如下；(1)CVI沉积SiC基体时，1100℃～1400℃均可沉积

2、出单一的立方B。SiC，其中；1300℃以下，随着温度升高，(111)晶面SiC晶体生长取向趋势增加，微晶尺寸增加。RMI制备SiC基体时，有Si和SiC两种成分共存。1100℃时，RMI-SiC基体的(111)面晶粒尺寸比CⅥ．SiC基体的大，为62．5nm。对于2．5DCVI—c／SiC复合材料，热解炭界面层和CVI．SiC基体层均匀沉积在炭纤维上，材料密度达2．1g．cm’3，但仍存在不少孔隙，开孔率为】O％。对于2．5DCVI．RMI．C／SiC复合材料，工艺周期短，密度可达2．25g．cm。，开孔率为10．2％。3DCVI-RM／．C／SiC复合材料比3DCV

3、I-C／SiC复合材料致密，且残曰孔隙减少，成本降低，周期缩短，但存在少量树脂炭和Si没有完全反应。对于2．5DCVI．C／SiC复合材料，随密度的升高，弯曲强度增加，最大弯曲强度为329MPa，材料密度为1．95g．cm"a时，断裂韧性最大，为13．6MPa．m”；材料密度低时由于基体与纤维之间的界面结合较弱，纤维大量拔出，表现出韧性断裂行为，密度高时则呈脆性断裂。对于3DcVI-C／SiC复合材料，随着密度的递增，材料的弯曲强度递增，密度为2．11g．cmd的复合材料弯曲强度达到465MPa。断裂方式也由韧性断裂向脆性断裂转变。3DCVI-C／SiC复合材料的拉伸强

4、度达到了168MPa，而2．5DCⅥ正／SiC复合材料拉伸强度仅为103MPa．对于2．5DCⅥ．砌沮．C／sic复合材料，随着渗硅温度的升高，密度增加，弯曲强度下降，最大弯曲强度为131MPa，断裂方式由韧性断裂向脆性断裂转变；随着CⅥ．siC基体含量的增加，C幅iC复合材料的弯曲强度增加，最大弯曲强度为225MPa，断裂方式由假朔性断裂向脆性断裂转交。2．5DCVI．RMIC／SiC复合材料拉伸强度仅为15MPa，呈现混合断裂的特征。对于3DCVI-RMI．C／SiC复合材料，预制体经CVI后密度达到1．5g．emd后，再RMI增密制备的材料，比CVI后密度达到1．

5、3g．em。3后，再RMI增密制备的材料的密度高，弯曲强度高40％，达到364MPa。关键词：C／SiC复合材料，显微结构，力学性能，破坏机制nABSTRACTC／SiCshowsuperioroxidationresistanceincomparisontoCarbon／Carbon(C／C)，andbeconsideredasthemostpromisingthermal栅ctllralcandidatematerialswhichcanbeusedathig出thrust-weightratioaero-engine，liquidrocketmotor(LRM)，

6、solidrocketmotor(SRD)，seamjetmotoraswellasthermalprotectionsystem(TPS)onre—usableshuttles，advancedfi'ictionandclutchsystemsofbrakeindustry．Inthisresearchwork,carbonfiberreinforeedsiliconcarbide(C／SiC)compositesweremadeof2．5Dcarbonfiberintegerfeltand3Dperformsbychemicalvaporinfiltration-r

7、eactivemeltinfiltration(CVI-砌m)andchemicalV印orinfiltration(CVI)method，respectively．Microstructureandcompositionsof2．5D、3DCVI．C／SiCandCVI·R^皿．C／SiCcompositeswereobserved．Theflexural、tensileproperties，fracturetoughnessandfracturemechanismofcompositeswerethoroughlyinvestigat