2D-Cf/Si(B)CN复合材料的制备及性能研究

摘要

碳纤维增强硅碳氮复合材料(Cf/SiCN)比强度高、比模量高、耐高温、抗氧化以及热膨胀系数小，在高温环境下兼具了碳化硅和氮化硅的特点，是一种极具潜力的航空航天热结构材料。与CVI法相比，PIP法具有设备要求简单、工艺周期短、制备成本低，对环境无污染等优点。因此，本文选择2D碳纤维布和聚硅氮烷(PSN)为原材料，通过PIP法制得Cf/SiCN复合材料。研究前驱体溶剂配比、固化温度、裂解温度和裂解升温速率对Cf/SiCN的组织结构和力学性能的影响；研究了热处理温度对Cf/SiCN复合材料的热稳定性的影响；采用硼烷二甲硫醚对聚硅氮烷进行改性，在其中引入B元素，得到PBSN，并通过PIP法制备Cf/SiBCN复合材料，对比两种复合材料的组织结构及力学和抗氧化性能。
　　PIP法制备Cf/SiCN复合材料的最优工艺参数为溶剂四氢呋喃含量为40%，固化温度为150oC，裂解温度为800oC，裂解升温速率为5oC/min，所得到的Cf/SiCN复合材料密度为1.783 g/cm3，开气孔率为12.8%，室温抗弯强度为126 MPa。
　　热处理温度为1400oC时，产物为非晶的SiCN陶瓷；1500oC时，出现了较为尖锐的β-SiC的特征峰，同时出现微弱的α-Si3N4的衍射峰；1600oC时，SiC的衍射峰更加明锐，晶化程度提高，并出现少量α-SiC相，α-Si3N4的晶化程度也有少量提高。抗弯强度下降严重，随着热处理温度升高，强度下降，当热处理温度为1600oC时，材料的强度仅为原始强度的59.7%，同时质量也有约7%的损失。对裂解温度为800、900和1000oC的Cf/SiCN复合材料，研究其在1400oC下的热稳定性，抗弯强度下降严重，裂解温度越高，强度保留率越高，当裂解温度为1000oC时，材料的强度保留率最高，为原始强度的73.7%，同时质量也有3.5%的损失。
　　对Cf/SiBCN复合材料和Cf/SiBCN复合材料在600 oC进行氧化，样品的质量损失基本呈线性增加；800和1000oC氧化时，质量损失曲线为下凹曲线，质量损失速度不断减慢。到最大质量损失之后，样品的质量趋于稳定并随时问的增加呈缓慢线性增加趋势，但在各温度下样品的氧化质量增加的速率都基本相同。在相同氧化温度下，Cf/SiBCN复合材料的氧化质量损失速度较慢，说明Cf/SiBCN复合材料的抗氧化性能优于Cf/SiCN复合材料。

目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 陶瓷基复合材料概述

1.3 前驱体浸渍裂解(PIP)法概述

1.4 Cf/Si(B)CN复合材料的研究现状

1.5 课题研究内容及目的意义

第2章 试验材料与测试方法

2.1 试验材原料

2.2 复合材料的设计及制备

2.3 材料的结构及性能表征

第3章 PIP法制备Cf/SiCN复合材料工艺研究

3.1 引言

3.2 PIP法制备Cf/SiCN复合材料工艺

3.3 PIP法制备Cf/SiBCN复合材料工艺

3.4本章小结

第4章 Cf/SiCN复合材料的热稳定性研究

4.1 引言

4.2 热处理温度对Cf/SiCN复合材料热稳定性的影响

4.3 裂解温度对Cf/SiCN复合材料热稳定性的影响

4.4 Cf/SiCN复合材料热稳定性优化研究

4.5本章小结

第5章 Cf/Si(B)CN复合材料的抗氧化性研究

5.1 Cf/Si(B)CN复合材料的氧化行为

5.2 高温氧化对Cf/Si(B)CN复合材料力学性能的影响

5.3本章小结

结论

参考文献

声明

致谢