GSISiCf/SiC复合材料界面改性涂层研究

摘要

SiCf/SiC复合材料以其高比强度、高比模量、好的高温抗氧化性和耐辐照性能等一系列优点，成为航空航天和原子能领域优异的候选结构材料之一。实现SiCf/SiC复合材料的低成本制备是其走向广泛应用的关键之一，PIP法结合RI法是SiCf/SiC复合材料低成本制备的有效途径之一。本文开展了GSI工艺制备2.5D SiCf/SiC复合材料界面涂层改性研究，对SiCf/C中间体的碳含量进行了优化，探讨了单层BN、PyC、SiC界面涂层以及BN/SiC、PyC/SiC双层界面涂层对SiCf/SiC复合材料力学性能的影响及其作用机制。
　　研究了SiCf/C中间体裂解碳含量对制备的SiCf/SiC复合材料组成和力学性能的影响。对于无界面涂层复合材料，PIP C5个周期的SiCf/C中间体气相渗硅制备的复合材料力学性能相对较好，其弯曲强度、模量和断裂韧性分别为106±18.4MPa、55.7±4.6GPa、1.89MPa·m1/2；而对于有界面涂层的中间体，PIP C4个周期的中间体裂解碳含量和孔隙率较为适宜，渗硅后复合材料力学性能最好，其弯曲强度、模量、断裂韧性分别为122.5±12.7MPa、86.5±3.1GPa、2.02MPa·m1/2。
　　研究了BN界面涂层厚度对SiCf/SiC复合材料力学性能的影响。随BN涂层厚度增加，SiCf/SiC复合材料的弯曲强度、弹性模量和断裂韧性均呈现先增大后减小的趋势。界面涂层厚度约为0.6μm的SiCf/SiC复合材料的力学性能相对较好，其弯曲强度、弹性模量、断裂韧性分别为134.6±15.4MPa、166.7±7.9GPa、3.10MPa·m1/2。BN涂层充当了“牺牲层”的角色，一定程度上阻挡了硅对纤维的侵蚀，但却不能有效发挥改善界面结合和调节应力分布的作用，复合材料的断裂韧性无明显改善。
　　研究了PyC界面涂层厚度对SiCf/SiC复合材料力学性能的影响。PyC涂层厚度为1050nm的SiCf/SiC复合材料力学性能相对较好。PyC涂层厚度为730nm的SiCf/SiC复合材料界面结合最弱，其断裂韧性最大，同时其载荷传递功能也较弱，其弯曲强度最低。
　　研究了SiC界面涂层厚度对SiCf/SiC复合材料力学性能的影响。SiC涂层厚度为720nm的SiCf/SiC复合材料的力学性能相对较好，其弯曲强度、模量、断裂韧性分别为98.9±4.3MPa、76.2±4.1GPa、2.43MPa·m1/2。SiC界面涂层在改善复合材料断裂韧性方面作用不明显，却能有效增加复合材料弹性模量。
　　研究了 BN/SiC和 PyC/SiC双层界面涂层对 SiCf/SiC复合材料力学性能的影响。BN/SiC涂层能够较好发挥载荷传递和保护纤维不受硅损伤的功能，PyC/SiC涂层则能够发挥弱化纤维-基体界面结合和传递载荷的作用。
　　分析了界面涂层影响SiCf/SiC复合材料力学性能的作用机制。BN涂层的界面改性机制为：“牺牲层”阻挡硅对纤维的侵蚀、载荷传递。PyC涂层的界面改性机制为：“阻挡层”阻挡硅对纤维的侵蚀、“脱粘层”弱化纤维-基体界面结合。SiC涂层的界面改性机制为：“保护层”保护纤维免受侵蚀、载荷传递。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 SiCf/SiC复合材料的应用研究进展

1.2 SiCf/SiC复合材料制备方法

1.3 SiCf/SiC复合材料界面相研究进展

1.4 选题依据和研究内容

第二章 实验设备与研究方法

2.1 实验用原材料

2.2 实验用仪器和设备

2.3 SiCf/SiC复合材料试样的制备

2.4 性能测试方法

第三章 SiCf/C中间体PIP C含量优化研究

3.1无界面涂层SiCf/C中间体PIP C含量的优化研究

3.2 有界面涂层SiCf/C中间体碳含量优化研究

3.3 小结

第四章界面涂层对GSI SiCf/SiC复合材料力学性能的影响及作用机制

4.1 不同厚度BN界面涂层对SiCf/SiC复合材料力学性能的影响

4.2 不同厚度SiC界面涂层对SiCf/SiC复合材料力学性能的影响

4.3 不同厚度PyC界面涂层对SiCf/SiC复合材料力学性能的影响

4.4双层界面涂层对GSI SiCf/SiC复合材料力学性能的影响

4.5界面涂层对GSI SiCf/SiC复合材料力学性能的影响机制

4.6 纤维类型对GSI工艺制备SiCf/SiC复合材料力学性能的影响

结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果