KD-Ⅱ型SiC纤维增强SiC基复合材料性能调控及构件制备

摘要

连续碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)复合材料具有低密度、高比强度、韧性较好、耐高温和抗氧化等特性，在航空发动机及其它领域中得到广泛的关注并在国外获得了实际应用。本文以KD-II型SiC纤维为增强体，低分子量含乙烯基聚碳硅烷(LPVCS)为先驱体，PyC和BN涂层为界面，采用先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备了SiCf/SiC复合材料。研究了涂层工艺对SiC纤维单丝拉伸性能的影响；探讨了交替的(PyC/BN)n界面层对SiCf/SiC复合材料性能的影响规律；开展了高温处理和氧化处理对SiCf/SiC复合材料性能影响的研究；随后采用优化后的PIP工艺制备了SiCf/SiC复合材料薄壁构件——航空发动机内锥体。
　　界面是影响复合材料尤其是陶瓷基复合材料性能的关键因素，前人研究结果表明：以BN为界面层的SiCf/SiC复合材料性能得到显著提升。本文各自采用dip-coating工艺和CVD工艺在SiC纤维表面制备了BN涂层（简称为DB和CB，各自代表dip-coating BN和CVD BN）。采用dip-coating工艺制备BN涂层时，原料配比对涂层物相组成有显著影响，综合XRD和XPS分析结果表明，硼酸和尿素摩尔比为1:1时制备得到的涂层主要成分为BN。采用CVD工艺制备BN涂层时，原料配比和沉积温度影响涂层元素组成，涂层中N元素含量随原料中NH3与BCl3流量比增加而增加，但增加趋势逐渐减缓；随着沉积温度的升高，涂层中的N含量先降低后升高。低温下CVD工艺制备的BN涂层稳定性较差，但形貌均匀完整，对SiC纤维产生了较好的包覆作用，可以通过沉积时间对涂层厚度进行调控。
　　随着dip-coating工艺周期数的增加，SiC纤维单丝拉伸强度先降低后升高再降低，其中，5个周期后SiC纤维单丝拉伸强度最大，达到1.56GPa，比未处理的SiC纤维提高4.7％。制备交替(DB/PyC)n涂层后，SiC纤维单丝拉伸强度发生显著变化，其中，PyC/DB/PyC涂层的纤维单丝拉伸强度最高，达到1.67GPa，DB/PyC涂层的纤维强度最低，仅为0.98GPa。制备交替(PyC/CB)n涂层后，SiC纤维单丝拉伸强度的波动范围更小，其中，PyC/CB/PyC涂层的纤维单丝拉伸强度最高，达到1.68GPa，CB/PyC/CB涂层的纤维强度最低，为1.30GPa。
　　未制备任何界面层的复合材料弯曲强度最低，只有144.1MPa。交替(DB/PyC)n界面层复合材料中，力学性能最佳的KL-PyC复合材料的弯曲强度和断裂韧性各自达到498.7MPa和27.8MPa·m1/2；而KL-DB复合材料的弯曲强度只有225.7MPa，断裂韧性只有9.0MPa·m1/2。交替(PyC/CB)n界面层复合材料中，KL-CB复合材料力学性能最差，弯曲强度只有298.8MPa，断裂韧性只有13.1MPa·m1/2；KL-PyC/CB复合材料力学性能最好，弯曲强度为566.0MPa，断裂韧性为19.3MPa·m1/2。
　　具有不同界面的复合材料中，KL-PyC/DB复合材料的界面剪切强度最高，达到138.6MPa，而其弯曲强度和断裂韧性各自为275.4MPa和3.5MPa·m1/2；KL-DB/PyC/DB复合材料的界面剪切强度最小，仅为18.9MPa，弯曲强度为302.4MPa；KL-PyC复合材料的界面剪切强度为39.2MPa，弯曲强度接近500MPa，KL-PyC/CB弯曲强度高达566.0MPa，界面剪切强度为38.6MPa，这两种复合材料的断裂韧性都很高。该结果表明界面结合强度过大或过小都会降低复合材料的力学性能，复合材料界面理论得到了很好地验证。
　　随着高温处理温度越来越高，SiC基体的失重率逐渐变大，结晶程度不断增加，晶粒不断长大，SiC纤维变化规律与基体类似。SiCf/SiC复合材料高温处理时的失重率小于相同处理条件下SiC基体的失重率。相较于没有做过任何处理的复合材料，经1200℃高温处理后，弯曲强度降至452.1MPa，断裂韧性下降明显，降为15.5MPa·m1/2。1400℃高温处理1小时后，弯曲强度进一步下降至364.4MPa，断裂韧性基本不变，为15.7MPa·m1/2。1600℃高温处理使得复合材料弯曲强度降至119.1MPa，断裂韧性降至4.1MPa·m1/2。纳米压痕测试结果表明：纤维和基体的硬度和模量随着高温处理温度的升高降低，这是导致复合材料性能退化的基本原因。在1200℃，材料的力学性能与不同保温时间高温处理关系不大。
　　复合材料在1100℃氧化处理1小时后，SiCf/SiC复合材料弯曲强度和断裂韧性各自降低至297.8MPa和10.1MPa·m1/2，强度保留率仅60%。1200℃处理1小时后，弯曲强度和断裂韧性进一步降低，各自为246.1MPa和8.7MPa·m1/2。经过1300℃处理，弯曲强度与1200℃样品基本相当，断裂韧性回升至10.3MPa·m1/2。增加氧化处理时间后，复合材料力学性能变化较大，1100℃氧化处理5小时后，弯曲强度和断裂韧性降至176.3MPa和6.6MPa·m1/2。氧化10小时后，弯曲强度和断裂韧性降到145.0MPa和6.1MPa·m1/2，强度保留率仅为29%。
　　根据薄壁构件模型设计编织和PIP工艺模具，参考真空袋压成型工艺和热压罐辅助交联工艺优化了PIP工艺，选择合适的加工时机对构件中的需要加工的部件进行加工，通过浆料刷涂、后续CVD SiC涂层等方法改善构件制品的致密度及表观质量。利用Siemens PLM Software NX8.0软件的CAE模块对构件的局部进行了计算，结果表明：在构件圆环局部施加300N载荷的条件下，支撑体U型孔外侧的节点位移最大，达到7.924μm，圆环局部和支撑体的U型孔内侧的单元应力最大值为8.782MPa，单元节点应力最大值为18.84MPa。

目录

声明

缩略语表

第一章 绪 论

1.1 SiCf/SiC复合材料应用背景

1.2 SiCf/SiC复合材料的研究进展

1.3选题依据与研究内容

第二章 实验与研究方法

2.2实验仪器和设备

2.3复合材料制备

2.4 分析方法与表征手段

第三章 BN涂层制备工艺研究

3.1 Dip-coating工艺制备BN涂层研究

3.2 CVD工艺制备BN涂层研究

3.3本章小结

第四章 交替PyC/BN界面层SiCf/SiC复合材料性能研究

4.1 (DB/PyC)n界面层SiCf/SiC复合材料的性能

4.2 (PyC/CB)n界面层SiCf/SiC复合材料的性能

4.3本章小结

第五章 高温处理和氧化处理对SiCf/SiC复合材料性能的影响

5.1高温处理对SiC纤维及基体结构的影响

5.2高温处理对SiCf/SiC复合材料性能的影响

5.3氧化处理对SiCf/SiC复合材料性能的影响

5.4本章小结

第六章 构件制备技术研究

6.1 SiCf/SiC薄壁构件的制备

6.2薄壁构件有限元仿真

6.3本章小结

第七章 结论与展望

主要创新点

研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果