化学气相渗透法制备C/C-SiC复合材料及其抗冲击性能研究

摘要

为了研究不同碳纤维原丝数量对C/C-SiC复合材料抗冲击性能的影响,采用两步化学气相渗透法(CVI)对不同碳纤维原丝数量(K)的2.5D碳纤维针刺预制体进行陶瓷基体致密化,得到2种C/C-SiC复合材料(3K-C/C-SiC和12K-C/C-SiC)。采用体积法和压汞仪测定了2种C/C-SiC复合材料的密度和开孔孔隙率。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、能谱(EDS)分析等表征手段对C/C-SiC复合材料的结构和形貌进行表征。结果表明,碳纤维原丝数量对C/C-SiC复合材料的结构与性能均有较大影响。采用两步CVI工艺制备的C/C-SiC复合材料,热解碳(PyC)和碳化硅(SiC)都能均匀沉积在2种碳纤维表面,3K,12K碳纤维2.5D针刺预制体增重分别约30%和25%,3K-C/C-SiC和12K-C/C-SiC复合材料的密度分别约为0.89,0.74 g/cm^(3),开孔孔隙率分别约为52.87%和56.53%,是由于3K碳纤维2.5D针刺预制体的纤维含量低,密度小,孔隙率大,沉积在纤维表面的PyC和SiC更多,同时SiC的密度大于C的密度,从而使得3K-C/C-SiC复合材料的密度较大,孔隙率较小。通过对2种C/C-SiC复合材料的结构和形貌进行表征发现3K-C/C-SiC,12K-C/C-SiC复合材料中SiC含量分别约为27.2%和11.1%,C含量分别约为72.8%和88.9%,单根纤维束中PyC层厚度分别约为2.162,2.145μm,SiC层分别约为1.890,1.284μm;3K-C/C-SiC复合材料SiC含量更高、C含量较低,这是由于3K碳纤维2.5D针刺预制体的碳纤维含量较低,孔隙率较大,从而能使更多的PyC和SiC沉积在碳纤维表面。经抗冲击测试测得到3K-C/C-SiC和12K-C/C-SiC复合材料的冲击韧性分别约为25.624,14.310 kJ/m^(2),吸收功分别约为1.52 J和1.09 J。通过摆锤式冲击试验结果发现,3K-C/C-SiC复合材料的抗冲击性能要优于12K-C/C-SiC复合材料,其优良的抗冲击性能主要是因为3K-C/C-SiC复合材料表面的SiC层更厚,使其断裂需要更多的断裂功,PyC具有良好的韧性,能够提高纤维的抗冲击性能,同时3K碳纤维预制体的韧性要优于12K碳纤维预制体,因此断裂3K-C/C-SiC中的纤维束需要更多的断裂功。