莫来石/铝硅纤维编织体复合材料的界面设计、制备及性能研究

摘要

随着宇航、航空和临近空间等高技术领域的发展，人们迫切需要高性能的复合材料。高超声速飞行器在长时间的临近空间高超声速飞行过程中，面临的热环境非常恶劣，飞行器的表面温度非常高，所以飞行器的热防护系统对飞行器的安全至关重要。为了突破以碳或氮化硼为界面相的SiC/SiC传统热防护材料在应用温度上的限制，氧化物/氧化物 CMCs近年来被许多科学家所重视，是最有潜力实现同时具有高温强度、断裂韧性、抗热震、抗氧化的一种复合材料。一般情况下，如果纤维表面不经过处理，纤维易与基体在高温下反应形成强结合力从而导致复合材料发生脆性断裂，界面相设计可解决这一问题。
　　本课题以莫来石陶瓷为基体，以铝硅纤维二维编织体为增强体，分别以磷酸铝和磷酸镧为界面相材料，采用真空浸渍、压力复合及常压烧结制备出两种耐温复合材料。对材料的密度、气孔率、抗折强度、相组成及微观形貌进行了测试及进一步研究。
　　经过探索，在制备复合材料时，基体浆料的固相含量为70wt％，复合层数为6层并以20KN压力复合时，所得材料的性能较优，抗折强度为12.78MPa。
　　以磷酸铝为界面相的样品，随着磷酸铝溶液浓度由10wt%增加到20wt%，样品的密度由2.87g/cm3增加到2.99g/cm3，气孔率由27.70%降低到26.56%，抗折强度由21.84MPa增加到27.59MPa，较无界面相样品提升了115.9%。随着界面相浸渍次数的增加，样品的抗折强度逐渐减小。观察断裂样品的微观形貌，磷酸铝为多孔结构，这种结构为基体中的微裂纹提供了扩散通道，同时耗散了基体内部的残余应力，有助于材料性能的提升。
　　以磷酸镧为界面相的样品，随着磷酸镧溶液浓度由10wt%增加到20wt%，样品的密度由2.70g/cm3增加到2.81g/cm3，气孔率由28.66%降低至28.23%，抗折强度由16.12MPa增大到24.38MPa。随着界面相浸渍次数的增加，样品的抗折强度逐步增大，当溶液浓度为20wt%，浸渍3次时，样品强度可达36.21MPa，较无界面相样品提升183.3%。观察断裂样品的微观形貌，独居石型磷酸镧是层片状结构且，与基体和纤维之间都是弱结合，当基体中的裂纹扩展到界面相时会发生偏转并沿纤维的轴向继续扩展而不伤害纤维，避免了材料发生毁灭性的破坏，起到了增韧效果。

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第一章 综述

1.1前言

1.2莫来石概述

1.3连续纤维增强陶瓷基复合材料

1.4界面材料

1.5课题的提出与意义

第二章 实验原料与表征方法

2.1实验原料与设备

2.2实验过程

2.3表征方法

第三章 莫来石/铝硅纤维编织体复合材料的制备

3.1制备工艺的优化

3.2真空浸渍法制备莫来石/铝硅纤维编织体复合材料

3.3小结

第四章 界面相为磷酸铝复合材料的制备及性能分析

4.1单层纤维编织体与界面相的结合

4.2磷酸铝溶液浓度对样品性能的影响

4.3界面相浸渍次数对样品性能的影响

4.4本章小结

第五章 界面相为磷酸镧复合材料的制备及性能分析

5.1单层纤维编织体与界面相的结合

5.2磷酸镧浓度对样品性能的影响

5.3界面相浸渍次数对样品性能的影响

5.4两种界面相材料的对比

5.5本章小结

第六章 结论

参考文献

发表论文与参加科研情况说明

致谢