纖維增韌自愈合碳化硅陶瓷基復合材料的高溫模擬環(huán)境微結構演變.pdf

1、航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展迫切需要低密度、高強度、高模量、高韌性和耐高溫的連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料( CMC-SiC)。然而，目前的CMC-SiC材料還不能滿足高推重比航空發(fā)動機熱端部件的長時間(上千小時)服役要求，必須進一步改善其抗氧化性能，發(fā)展具有自愈合功能的碳化硅陶瓷基復合材料( CMC-MS)。CMC-MS材料的抗氧化壽命主要受纖維、基體、纖維/基體界面相和涂層的成分及微結構影響，因此，必須深入研究用于CMC-MS材料的Hi

2、-Nicalon纖維、自制含鋁碳化硅纖維、自愈合基體及自愈合涂層的微結構及其隨處理溫度和環(huán)境的變化規(guī)律，從而指導材料設計和工藝改進。 本文以CMC-MS材料為研究對象，通過微結構評價和表征，系統(tǒng)深入地研究了Hi-Nicalon纖維在高溫模擬環(huán)境處理后的微結構演變及力學性能，評價了纖維的失效過程；探索了自制含鋁碳化硅纖維中鋁元素的存在位置和狀態(tài)，明確了鋁在纖維結構形成過程中的重要作用；揭示了CVD B-C陶瓷涂層及其熱處理后的微結

3、構特征；研究了CVD B-C陶瓷改性后的自愈合涂層和自愈合基體在環(huán)境處理后的微結構特征，解釋了CVD B-C陶瓷的自愈合機制；評價了環(huán)境處理后改性CMC-MS材料的自愈合情況和微結構演變。為CMC-MS的材料設計與工藝改進提供了依據(jù)。主要研究內(nèi)容與結果如下： 1、對水氧耦合環(huán)境中1300℃-1600℃處理1小時的Hi-Nicalon纖維進行了殘余強度測試和顯微結構的表征。結果表明：純惰性氣氛中高溫處理后纖維強度下降，水氧耦環(huán)境處

4、理后，纖維殘余強度先升高后降低。與惰性氣氛環(huán)境相比，水氧環(huán)境使纖維發(fā)生惰性氧化，氧化后鈍化層生成、氣孔愈合、厚度增加、及均勻析晶對保持強度有重要作用。在纖維結構完整的情況下，晶粒粗化對強度的不利影響在各種因素的綜合作用下被淹沒。 2、研究了自制摻雜Al元素的連續(xù)SiC纖維中Al的作用、狀態(tài)和存在位置。結果包括：(1)利用TEM觀察結合像模擬技術研究了Al-SiC纖維的晶體特征，并觀察了立方SiC晶粒中的孿晶結構和析出六方結構。(

5、2) Al作為燒結助劑，對改善纖維結構致密度，控制晶粒長大的作用十分明顯。但其作用受交聯(lián)時間、燒結溫度、和晶粒尺寸等因素的影響。(3)含Al相以Al2OC、Al4SiC4等形式存在于SiC晶?；蚓ЯF之間。最終建立了Al-SiC纖維的結構模型。 3、研究了不同工藝制備的CVD B-C陶瓷涂層微結構組成及其氧化處理后的微結構演變。結果表明：(1) B-C陶瓷涂層主要分為晶態(tài)和非晶態(tài)B-C陶瓷涂層。(2)高溫處理后，非晶B-C陶瓷向

6、晶態(tài)的B4C相轉(zhuǎn)變，且晶化程度隨熱處理溫度升高而提高。整個晶化過程受C、B元素擴散控制，導致兩B-C層界面處B4C晶體含量最高，并沿低能面外延生長，使涂層間結合更強。(3)直接面對水氧環(huán)境時，CVD B-C層因氧化和快速揮發(fā)而失去對材料的保護。對于SiC/B-C/SiC涂層，低溫時，B-C陶瓷層的氧化主要受氧化氣體(O2/H2O)穿過表面SiC層的制備缺陷以及熱處理過程中生成的裂紋控制。中溫時，表層SiC層已經(jīng)開始部分氧化為SiO2，而

7、B-C層的氧化仍受氧化氣體通過缺陷氧化B-C層控制。B2O3和SiO2形成硼硅酸鹽玻璃( B2O3-X SiO2)。高溫時，表層SiC氧化反應速度加快，缺陷處B-C陶瓷層也因氧化而發(fā)生快速的體積膨脹。另外，表層SiC被大量氧化后，H2O有機會通過SiO2直接到達B-C層，氧化由H2O透過SiO2層導致B-C涂層的全面氧化所控制。解釋了SiC/B-C/SiC涂層在水氧耦合環(huán)境不同溫度中具有良好的抗氧化能力的微結構本質(zhì)。 4、研究了

8、B-C陶瓷涂層自愈合改性和基體改性復合材料在氧化環(huán)境中處理后的微結構和性能演變，觀察了微裂紋的擴散途徑和材料缺陷的氧化愈合。結果表明：(1)多種相及相間界面的存在使得兩種改性復合材料中的微裂紋皆存在多種擴展模式，復合材料纖維束間的結構在一維尺度上存在著連續(xù)的弱結合點。(2)熱解碳(PyC)相和C纖維在高溫熱處理后趨于形成取向一致的共格結構，形成了強界面結合，有效促進了界面相內(nèi)裂紋偏轉(zhuǎn)。(3)涂層改性材料低溫處理后基體缺少愈合組元，但高溫