论文部分内容阅读
快速成型技术及其与结构性能的关系是决定碳／碳化硅（简称C／SiC）复合材料研究及发展的重要问题。本文以工艺试验与理论分析为基础，结合致密化机理研究、力学性能分析、微结构表征，对C／SiC复合材料CVI结合PIP法快速致密化技术及其相关技术进行了系统研究。主要内容如下： 构建了碳纤维编织预制体孔隙填充理论模型，对CVI结合PIP法致密化过程进行了函数分析，并对纤维涂层厚度及均一性、孔隙率、孔隙填充速率、闭孔形成速率、表观密度、增密行为特征以及密度均一性等进行了讨论。通过研究，归纳出了CVI工艺与PIP工艺有机结合需要遵循的基本准则：有序性和适时性，并对CVI结合PIP法致密化工艺的参数设计进行了优化。均匀设计的致密化试验结果表明，当工艺参数设置符合孔隙填充速率与闭孔形成速率的比值ve（t）／vc（t）＞4、残余孔隙率Ve（t）＜0.10、平均孔隙填充速率（?）（t）＞1×10-3·h-1、比弯曲强度≥30×103m等设计参数要求时，获得的CVI结合PIP法创新工艺达到了指标要求：可大批量地快速制备复杂形状的纤维增强SiC基复合材料，三维编织C／SiC复合材料残余孔隙率低、密度均匀性高，在200小时内密度达到2.1g／cm3以上。 采用偏光显微镜、扫描电子显微镜、X-衍射分析仪等分析仪器手段，表征了C／SiC复合材料中的热解碳中间相、CVI-PIP系SiC基体相的化学组成和微结构。通过C／SiC复合材料制备工艺与微结构、微结构与材料性能之间的内在关系研究，归纳了工艺参数影响材料性能的规律。 根据热解碳中间相、CVI-PIP系SiC基体相的组织构成与外貌特征，通过对热解碳中间相、CVI-PIP系SiC基体相的生长过程和生长特征进行分析，提出了基于层生长模式的致密化过程理论，解释了热解碳中间相、CVI-PIP系SiC基体相以及钉扎诱导结构多重界面的形成：（1）在1150℃下，CVI-SiC亚基体相遵从“过饱和—凝聚—融合”机理沉积，以8F型β—SiC为主，同时还会有少量4H型α—SiC，无游离Si和游离C存在；（2）PIP-SiC亚基体相由非晶态SiC以及弥散分布的β-SiC微晶、Si-O-C和游离C组成；（3）热解碳中间相与碳纤维增强相之间、CVI-SiC亚基体相之间形成渗透钉扎结构过渡界面，PIP-SiC亚基体相与 摘要CVI一SIC亚基体相之间形成诱导结构过渡界面。 联系化学组成及微结构参数、工艺参数，进而研究了弯曲载荷下该C/SIC复合材料的行为特征和失效过程，发现了一种与多重界面失效紧密联系的、高断裂韧性的多重损伤累积型材料破坏现象，补充了传统的脆性基体复合材料强度一断裂韧性理论。 系统地表征了CVLP护新工艺制备的C/SIC复合材料的力学性能、热物理性能和热震性能，结果表明，主要材料性能超过了研究设定的性能指标，弯曲强度达到了743MPa，断裂韧性达到了17.9 MPa.m，尼，剪切强度达到了55.5M卫a。试验发动机地面热试车结果表明，该C/SIC复合材料的力学性能、烧蚀性能和热震性能优良，可满足宇航工程中诸如液体火箭发动机推力室等对热结构材料的使用性能要求。