纤维增强陶瓷基复合材料

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划纤维增强陶瓷基复合材料题目：碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化研究学生：学号：院：材料科学与工程学院专业：无机非金属材料工程指导教师：XX年05月22日碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化研究摘要：碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)具有良好的高温力学性能和热性能，是航空航天领域非常理想的热结构材料但CFRCMCs中的碳纤维极易发生氧化，因此CFRCMCs的氧化防护问题一直是CFRCMCs研究的热点。文章对碳纤维改性、基体抗氧化技术、界面层抗氧化技术和表面涂层技术这四种CFRCMCs的抗氧化技术及其原理进行了评述，分析了各类抗氧化技术的特点并对其发展趋势进行了展望关键词:碳纤维;陶瓷基复合材料;抗氧化涂层,氧化保护1前言碳纤维增强陶瓷基复合材料由于具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温、低密度等优良特性，特别是拥有良好的高温力学性能和热性能，在惰性环境中超过XXe仍能保持强度、模量等力学性能不降低,拥有良好的断裂韧性和耐磨性能、低线膨胀系数、高热导率、高气化温度和良好的抗热震性能【1】，成为航空航天领域非常理想的热结构材料。但是，在氧化气氛下，碳纤维增强陶瓷基复合材料中碳质材料在左右发生氧化，使其优异性能难以在高温下长时间保持。而碳纤维增强陶瓷基复合材料的许多应用环境都是具有氧化气氛的。因此，它们在氧化气氛中的表现及氧化气氛中的氧化保护一直是科研工作者非常关注的问题【2】。碳纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化性研究主要集中在两个方面:(1)通过对基体材料的处理来增强材料的抗氧化性能,如殷小玮等通过在基体孔隙中渗入融熔Si和Cr反应生成Cr3Si来增强抗氧化性能;?re等通过在碳纤维表层形成B化合物膜层来增强材料抗氧化性能;(2)通过整体抗氧化涂层增强材料的抗氧化性能。在两种处理方式中,整体抗氧化涂层更为有效。本文仅对整体抗氧化涂层的发展进行综述和展望。【3】2抗氧化涂层的要求抗氧化涂层的基本功能是将基体材料与外部的氧化性气氛隔离。要有效地实现其隔离功能,抗氧化涂层体系必须满足一些基本要求:(1)涂层材料在所保护温度围稳定,涂层体系和基体材料有良好的粘接作用,涂层与基体及涂层与涂层之间不剥落(分离);(2)涂层材料与基体间有相近的线膨胀系数(CTE);(3)涂层材料氧和碳的扩散系数低;(4)涂层材料与基体间有好的化学和物理相容性;(5)作为结构部件使用通常会受热流的冲蚀,在这种环境中使用涂层材料必须有良好的抗(转载于:写论文网:纤维增强陶瓷基复合材料)冲蚀性能等等【4】。3抗氧化涂层的材料组成抗冲蚀层材料抗冲蚀层的功能是阻挡氧气进入材料内部,抵抗气流冲蚀。抗冲蚀层的材料最常用的是SiC和Si3N4。SiC没有熔点,在2100e由B相转变为A相,在(2830?40)e分解;Si3N4熔点为1900e。两者都有极好的抗氧化功能和高温下极低的挥发性,同时SiC和Si3N4都有极高的硬度和抗冲蚀强度。另外Al2O3、Y2O3、Ta2O5、Si2N2O、ZrO2和莫来石(3Al2O3#2SiO2)等氧化物陶瓷也可作外层涂层材料。功能层材料功能层的作用是形成玻璃态可流动物质封填涂层微裂纹,阻止氧的进入。目前常用的功能层材料是能氧化形成玻璃态物质的化合物,B4C、TiB2、Si-B、Si-W、Si-Hf、Si-Zr等。Courtois等通过CVD沉积TiB2于SiC外层下保护C/SiC,是在700e1100e有前途的封填材料。硼化硅有一个独特的优点,被氧化后形成硅酸硼玻璃而没有其它产物,产物能通过硼化物的组成来确定,这意味着可以为特定的温度范围设计功能层材料25。MoSi2也被用作功能层材料,氧化生成挥发性的MoO3和玻璃质的SiO2。粘接层材料粘接层的功能是粘接基体与涂层系统,减少涂层与基体间的线膨胀系数不匹配的影响,阻挡基体宇航材料工艺XX年第6期材料组成元素向外扩散。粘接层材料最常用的是SiC和Si3N4,它们有与基体材料相近的线膨胀系数,为了降低线膨胀系数,可以在制备涂层时加入低线膨胀系数的材料,如BN和石英等【5】。4、的氧化防护的氧化保护是近年来复合材料研究的热点之一。的氧化防护研究主要从个方面展开：从碳纤维方面考虑，对碳纤维改性，提高纤维自身的抗氧化能力；从基体方面考虑，采用抗氧化的基体材料或通过在基体中添加适当的添加剂制备裂纹可自愈合的基体；从界面层考虑，为复合材料研制抗氧化界面层；从材料表面着手，为设计合适的抗氧化涂层。【6】4.碳纤维改性在高温氧化气氛中的氧化损伤实质上是由碳纤维的氧化所引起，因此通过采取一定的措施，提高碳纤维自身的抗氧化能力，是提高抗氧化性能的根本途径。提高碳纤维的质量、采用石墨纤维、对碳纤维表面进行处理等都可以改善复合材料的抗氧化性能。对碳纤维进行高温热处理，可以提高纤维的石墨化程度，降低纤维中杂质的含量，减少杂质的氧化催化作用，从而提高纤维的抗氧化能力。在碳纤维中引入、或硼酸等氧化抑制剂，可有效提高碳纤维的抗氧化性能【7】。4基体抗氧化技术目前研究的基体抗氧化技术主要有类：对基体进行热处理。对于复合材料，与碳纤维的改性相类似，对碳基体进行热处理，以提高复合材料的抗氧化性能。向基体中添加抑制剂。通过一些方法向基体中添加磷酸、硼、硼化物及硅化物等抑制剂，封闭基体材料中的活性点，以达到提高复合材料抗氧化性能的目的。向基体中添加密封剂。在基体中添加含硼或含硅材料，如、和等，这些材料在高温下氧化生成玻璃态物质，形成具有综合功能的保护膜，并将基体上的裂纹和孔隙弥合，阻止氧气向材料内部扩散，从而实现复合材料抗氧化的目的。制备多层功能陶瓷基体。这种基体由多个陶瓷材料层和厚度特别薄的易熔材料层交替复合而成，它一方面可以允许裂纹发生多次偏转，使气体沿裂纹扩散的路径延长，避免氧化性气体直接到达碳纤维表面；另一方面，易熔材料层在高温下可以有效地封堵基体微裂纹，阻止氧气沿基体裂纹扩散，从而提高复合材料的抗氧化性能。【8】4界面层抗氧化技术用、和作为界面层材料来提高复合材料的抗氧化能力，用莫来石界面层可明显提高复合材料的抗氧化性能。通过界面层来提高的抗氧化性能，理想的界面层材料应具备以下条件：材料本身具有良好的抗氧化能力；具有较大的热膨胀系数；具有适当的厚度；材料自身与碳纤维间具有良好的化学相容性，以免对纤维造成损伤。利用界面层来提高复合材料的抗氧化性能可避免涂层技术所存在的一些问题，但如界面处理不当，则会使复合材料的力学性能出现严重下降。【9】4表面涂层技术在表面涂覆涂层可以使复合材料和氧化环境隔离，阻止复合材料发生氧化，从而大幅度升高复合材料在氧化环境中的使用温度。目前根据涂层的形式来分主要有单层涂覆、双层涂覆及多层涂覆。参考文献：【1】碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化技术研究_卢国锋【2】碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的性能与微结构_孙银洁【35】碳纤维增强陶瓷基复合材料抗氧化涂层研究进展_邹世钦张长瑞周新贵曹英斌【68】连续碳纤维增强陶瓷基复合材料的氧化行为和氧化防护研究卢国锋，许艳【9】碳纤维增强陶瓷基复合材料界面的研究进展_何柏林陶瓷基复合材料课程论文陶瓷基复合材料综述报告(Summaryreportofceramicmatrixcomposites)学院名称：材料科学与工程学院专业班级：复合材料1111学生姓名：不知道学号：指导教师：陶瓷基复合材料综述报告摘要：本文综述了陶瓷基复合材料的研究现状，基体和增强增韧纤维的选择，对陶瓷基复合材料的界面、增韧技术及其制造工艺,尤其是对CVI工艺做出了较为全面的总结和介绍,最后,对陶瓷基复合材料未来发展进行了展望。关键词：陶瓷基复合材料表；增韧技术；制造工艺；界面；发展趋势SummaryreportofceramicmatrixcompositesAbstract:Thispaperreviewstheresearchstatusofceramicmatrixcomposites,thematrixandthetougheningandreinforcingfiberchoice,inceramicmatrixcomposites,interfacialtougheningtechnologyandmanufacturingprocess,especiallymadeamorecomprehensivesummaryandintroductionofCVItechnology,finally,thefuturedevelopmentofTaoCijicompositeswasprospected.Keywords:ceramicmatrixcompositesheet;tougheningtechnology;manufacturingprocess;interface;developmenttrend前言陶瓷基复合材料(Ceramicmatrixcomposite,CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料,使之增强、增韧的多相材料,又称为多相复合陶瓷(Multiphasecompositeceramic)或复相陶瓷(Diphaseceramic)1。陶瓷基复合材料是20世纪80年代逐渐发展起来的新型陶瓷材料,包括纤维(或晶须)增韧(或增强)陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷、原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。其因具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大及介电、透波等特点,在有机材料基和金属材料基不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用,成为理想的高温结构材料。因此越来越受到人们的重视。但由于陶瓷材料本身脆性的弱点，作结构材料使用时缺乏足够的可靠性。因而，改善陶瓷材料的脆性已成为陶瓷材料领域亟待解决的问题之一。文献2报道,陶瓷基复合材料正是人们预计在21世纪中可替代金属及其合金的发动机热端结构的首选材料。鉴于此,许多国家都在积极开展陶瓷基复合材料的研究,大大拓宽了其应用领域,并相继研究出各种制备新技术3。1陶瓷基复合材料的基体和纤维的选择基体材料的选择对基体材料,要求它有较高的耐高温性能,与纤维(或晶须)之间有良好的界面相容性,同时还应考虑到复合材料制造工艺性能。可供选择的基体材料有:玻璃、玻璃-陶瓷、氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷材料。(1)玻璃基复合材料的优点是易于制作(因燃烧过程中可通过基体的粘性流动来进行致密化),且增韧效果好。但其致命的缺点是由于玻璃相的存在容易产生高温蠕变,同时玻璃相还容易向晶态转化而发生析晶,使性能受损,使用温度也受到限制。(2)氧化物类陶瓷是60年代以前主要使用的陶瓷材料,主要有MgO、Al2O3、SiO2、ZrO2和莫来石等,但这些材料均不宜用于高应力和高温环境中。(3)非氧化物陶瓷,如Si3N4、SiC等由于具有较高的强度、模量和抗热震性及优异的高温机械性能而受到人们的重视,与金属材料相比,这类陶瓷材料还有密度较低等特点。增强增韧纤维的选择陶瓷基复合材料中最早使用的纤维是金属纤维,如W、Mo、Ta等,用来增韧