三维正交结构碳纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的新型制备方法及性能分析

摘要

碳纤维增强氧化物陶瓷基复合材料具有优异的机械性能、高耐热性、低热膨胀和低密度，使其广泛应用于航空航天和工业领域，如导弹鼻帽和汽车燃气管道。最近几年，纺织结构纤维增强陶瓷复合材料以其更好的完整性和抗分层性能引起了人们更多的关注。但是，现有的用于制造纺织结构纤维增强陶瓷基复合材料的方法效率低，限制了纺织结构陶瓷基复合材料的广泛应用。
　　本文针对现有纺织结构增强陶瓷基复合材料制备方法所存在的不足，开发出一种工艺更为简单、生产周期更短、生产成本更低、适用范围更广的三维机织结构纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法，此方法的特征在于:在三维机织结构纤维预制件的织造过程中，在纤维层间涂覆、浇注陶瓷浆料，干燥后通过多次真空辅助转移成型(VARTM)的方法浸渍，使陶瓷浆料充分填充于纤维预制件的空隙，以降低陶瓷基体的孔隙度，最后通过热压烧结制得致密化的三维机织结构纤维增强陶瓷基复合材料。
　　本文利用此方法制造了三维正交机织结构碳纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料(3D Cf/SiO2)和三维正交机织结构碳纤维增强氧化铝复合材料（3D Cf/Al2O3）。通过弯曲性能测试、冲击性能测试以及断面电子显微镜形貌分析来研究复合材料的力学性能、微观结构以及增韧机制。实验表明碳纤维增强二氧化硅复合材料经纬向弯曲强度分别达到103.8MPa和119.8MPa，与纯二氧化硅陶瓷材料相比分别增加了201.6％和263.6％。碳纤维增强氧化铝复合材料的弯曲断裂为非脆性断裂，但是材料经纱方向的弯曲强度低于纯氧化铝材料，这主要是由碳纤维和氧化铝基体热膨胀系数不匹配导致的。两种复合材料的弯曲应力-应变曲线都表明，由此方法制造的纤维增强陶瓷基复合材料的断裂破坏不是连续进行的，具有非脆性断裂的特性。扫描电子显微镜对两种复合材料抗弯失效断面分析表明，碳纤维对陶瓷基体的增韧机理为裂纹偏转、纤维的拔出与桥接，从而实现了失效方式从灾难性破坏到非灾难性破坏的改变，极大地提高了复合材料的韧性。由此可见此种新型的三维纺织结构纤维增强陶瓷基复合材料制备方法可以有效增强陶瓷复合材料的强度和韧性，具有推广应用于制造其他陶瓷基复合材料的潜力。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容

1．4 本文研究意义

1．5 本文章节安排

第2章 纤维增强陶瓷基复合材料的制备基础

2．1 增韧纤维的种类

2．2 陶瓷基体的种类

2．3 纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法

2．4 纤维增强陶瓷基复合材料的增韧机制

2．5 三维结构织物及其增强复合材料

第3章 三维正交结构纤维增强陶瓷基复合材料的制造

3．1 三维正交结构碳纤维增强二氧化硅复合材料的制造

3．2 三维正交结构碳纤维增强氧化铝复合材料的制造

第4章 三维正交结构碳纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料的性能

4．1 复合材料的物理性能表征

4．2 复合材料的弯曲性能测试及分析

4．3 复合材料的断裂韧性测试及分析

4．4 复合材料断面形貌的显微结构表征

第5章 三维正交结构碳纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的性能

5．1 复合材料的物理性能表征

5．2 复合材料的弯曲性能测试及分析

5．3 复合材料断面形貌的显微结构表征

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 后续研究展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果目录

致谢