碳纤维增强SiC复合材料制备工艺及性能研究.pdf

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1、硕士学位论文碳纤维增强SiC复合材料制备工艺及性能研究STUDYONPREPARATIONPROCESSANDPROPERTIESOFCARBONFIBERREINFORCEDSiCCOMPOSITES刘佳佳哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TB330学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工程硕士学位论文碳纤维增强SiC复合材料制备工艺及性能研究硕士研究生：刘佳佳导师：张宇民教授申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedInd

2、ex:TB330U.D.C:620DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONPREPARATIONPROCESSANDPROPERTIESOFCARBONFIBERREINFORCEDSiCCOMPOSITESCandidate：LiuJiajiaSupervisor：Prof.ZhangYuminAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalsEngineeringAffiliation

3、：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要碳化硅陶瓷在力学性能方面具有高强度、高模量和良好的耐磨性，在热力学方面具有低热膨胀系数、高导热性和耐高温性能。同时，因保持了陶瓷所具有的抗氧化性、耐腐蚀性和化学稳定这些优良的性能，使碳化硅在精密轴承零部件、耐磨密封件、机械加工磨具、燃气转子、压缩气缸等方面，都具有巨大的应用潜力。另外，随着航天事业

4、的蓬勃发展，因其高比刚度、低热变形系数，抗辐照性、良好的热稳定性和抗震性能极佳等优点，被认为是制造反射镜的新型优良材料。然而，目前由常规方法制备的SiC反射镜普遍存在精度和轻量化程度不高、断裂韧性低和应力水平高等问题。要想制备出高精度的反射镜，还需要对碳化硅复合材料的制备进行实验研究。首先是原浆料的制备，选用热固性酚醛树脂作为粘结剂，因其是常用的三大树脂中含碳量最高的；由于树脂粘度大，不易与其它原料混合，故选用乙二醇为稀释剂，它能与树脂相溶，用来稀释酚醛树脂，并作为浆料的主要溶剂；选用苯磺酰氯为树脂固化剂，苯磺酰氯是一种酸性固化

5、剂，能使酚醛树脂在较低温度下快速固化；选用1200目和240目两种粒径的SiC粉作为浆料中的主要固相，但由于碳化硅为粉末状易于团聚，所以选用具有良好的分散性和润滑性的聚乙二醇为分散剂。为了提高浆料中的碳含量，后期还加入纳米级的炭黑到浆料中。采用球磨工艺使浆料混合均匀，通过研究浆料的粘度、固化后的体积变化量和素坯密度、碳化后的形貌以确定各成分的最佳含量。通过研究表明分散剂的最佳含量为占固相的15wt%；固化剂最佳含量为占树脂的6wt%；最佳固相含量为60wt%；固相中SiC两种粒径颗粒的最佳配比为1:1；针对后期与纤维复合，浆料中

6、炭黑最佳含量为SiC的10wt%；树脂与乙二醇的最佳配比为1:10。为了提高陶瓷的韧性，向其内引入增强体，本文采用碳纤维平纹布做为SiC陶瓷的增强体。为了保护碳纤维在后期反应烧结时不受损伤，对其进行表面处理，选用耐高温的氧化锆做为涂层材料。研究表明碳纤维最佳涂层为4层Y-ZrO2。浆料与碳纤维进行隔层铺设，经过固化、碳化、反应烧结得到SiC陶瓷基复合材料，测试其物理性能和力学性能。研究表明碳纤维及涂层处理的碳纤维的加入降低了SiC陶瓷的体积密度和弯曲强度，但达到了提高断裂韧性的目的。由于复合材料的弯曲强度较低，所以最后本文又研究

7、了SiC/C配比对SiC陶瓷性能的影响。研究表明SiC与C的比例为8:3时，其反应烧结所得的SiC陶瓷的性能较-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文好，密度为3.066g/cm3，致密度为95.8%，残硅量为8.59%，弯曲强度达485.08±53MPa，断裂韧性达4.806±0.175MPa.m1/2，硬度为14.77±0.93GPa。与企业生产的SiC陶瓷相比较，本文所制备的SiC在弯曲强度和断裂韧性上都有所提高。关键词：碳纤维；SiC陶瓷；反应烧结；力学性能-II-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractSilicon

8、carbideceramicshavetheexcellentproperties,suchashighstrengthandmodulus,excellentabrasiveresistanceinmechanicalproperties,lowthermal