碳纤维表面C和SiC涂层的制备及性能分析

发布时间：2017-08-20 23:21

  本文关键词：碳纤维表面C和SiC涂层的制备及性能分析

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【摘要】：ZrB_2超高温陶瓷拥有良好的化学稳定性和高强度等优点,是具有很大应用前景的耐高温材料。在制备ZrB_2基陶瓷的过程中,加入SiC能够大幅度的改善材料的强度和致密度等性能,然而其较低的韧性阻碍了它的进一步应用。近几十年来利用碳纤维增韧ZrB_2-SiC基复合材料一直是研究的重点,碳纤维能够有效的改变复合材料的断裂模式,极大的提高材料的临界裂纹尺寸,对材料的应用是十分有利的。但是碳纤维与ZrB_2-SiC基陶瓷的复合同样存在诸多问题,如碳纤维与基体的强界面结合不利于纤维在裂纹扩展时发生拔出现象,以及在高温复合的过程中自身的结构变化和与基体发生反应引起纤维的性能降低,这些都限制了碳纤维在复合材料中发挥良好的作用。为了改善这一问题,本文采用在碳纤维表面制备一层裂解碳涂层来弱化基体与纤维结合的界面,使材料在破坏过程中发生更多的纤维拔出现象,同时碳涂层作为中间层避免了纤维与基体的反应,最终改善材料的性能。首先分析了纤维涂层对纤维的轴向单丝拉伸强度、界面剪切等性能的影响。裂解碳涂层能够有效的改善碳纤维的界面性能,极大的弱化了纤维与基体的界面结合,使复合材料的韧性得到提高。但是在研究中发现,在利用化学气相沉积法制备裂解碳涂层后,碳纤维的强度降低,并且碳纤维的强度随着沉积时间的增加(涂层的厚度增加)而逐渐下降。为了解释这一现象,本文利用多种测试手段,发现碳纤维强度下降一方面是由于涂层的引入带来了更多的缺陷,另一方面是因为在涂层制备过程中纤维经过长时间高温热处理,使纤维的结构发生变化,进而影响了纤维的性能。针对材料在高温服役过程中纤维易发生氧化损伤的问题,在制备裂解碳涂层的碳纤维表面制备一层SiC涂层,形成具有C/SiC复合涂层结构的碳纤维,致密的SiC涂层能够阻止氧的扩散,使材料具备良好的抗氧化特性。分别采用化学气相沉积法和包埋法在纤维表面制备了SiC涂层,化学气相沉积法制备的涂层均匀致密,且厚度易于控制,所以最终使用化学气相沉积法在含有裂解碳涂层的碳纤维表面制备SiC涂层,继而成功制备了含有C/SiC复合涂层的碳纤维。采用热压烧结的方法制备了ZrB_2-SiC-Cf复合材料,重点研究了纤维表面涂层对复合材料力学性能的影响。发现涂层能够改变材料的断裂模式,使材料在受到荷载时不发生脆性破坏,使碳纤维充分发挥了增韧效果,为改善超高温陶瓷的脆性提供了新的思路。
【关键词】：碳纤维 C/SiC涂层 单丝拉伸 ZrB_2-SiC-Cf
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ342.742;TB306
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 课题背景及研究意义10-12
• 1.2 碳纤维表面涂层研究进展12-22
• 1.2.1 碳纤维表面涂层的方法12-14
• 1.2.2 碳纤维表面SiC涂层的研究进展14-17
• 1.2.3 碳纤维表面C涂层研究进展17-20
• 1.2.4 碳纤维表面包覆C/SiC复合涂层研究现状20-22
• 1.2.5 碳纤维表面其他涂层的研究进展22
• 1.3 主要研究内容22-24
• 第2章 材料的制备与实验方法24-29
• 2.1 实验用原材料24
• 2.1.1 碳纤维材料24
• 2.1.2 基体材料24
• 2.2 实验仪器与设备24-25
• 2.3 材料分析测试方法25-29
• 2.3.1 物相分析及组织的微观观察25-26
• 2.3.2 力学性能测试及表征26-28
• 2.3.3 复合材料致密度测量方法28
• 2.3.4 材料热性能测试方法28-29
• 第3章 碳纤维表面涂层的制备及性能表征29-64
• 3.1 前言29
• 3.2 碳纤维原丝的处理29-31
• 3.3 碳纤维表面碳涂层31-54
• 3.3.1 碳纤维表面碳涂层的制备与形貌分析31-34
• 3.3.2 碳纤维表面碳涂层后物相分析34
• 3.3.3 碳纤维表面碳涂层后拉曼光谱分析34-37
• 3.3.4 碳纤维涂层后单丝轴向拉伸实验37-39
• 3.3.5 碳纤维涂层后纤维强度下降原因分析39-52
• 3.3.6 碳纤维表面碳涂层后界面剪切测试52-53
• 3.3.7 碳纤维表面碳涂层后抗氧化性能分析53-54
• 3.4 碳纤维表面碳化硅涂层的制备54-62
• 3.4.1 包埋法制备碳纤维表面SiC涂层55-58
• 3.4.2 化学气相沉积法制备碳纤维表面SiC涂层58-62
• 3.5 碳纤维表面碳/碳化硅复合涂层的制备62-63
• 3.6 本章小结63-64
• 第4章 纤维表面涂层对碳纤维增强ZrB_2-SiC基复合材料的影响64-73
• 4.1 纤维增强ZrB_2-SiC基复合材料的制备工艺64-65
• 4.1.1 热压烧结参数的制定64
• 4.1.2 纤维有关参数64-65
• 4.2 纤维表面碳涂层对碳纤维增强ZrB_2-SiC基复合材料的影响65-70
• 4.2.1 含碳涂层纤维增强ZrB_2-SiC基复合材料的力学性能分析66-68
• 4.2.2 含碳涂层纤维增强ZrB_2-SiC基复合材料的微观结构68-70
• 4.3 纤维表面碳/碳化硅涂层对碳纤维增强ZrB_2-SiC基复合材料的影响70-71
• 4.3.1 含复合涂层纤维增强ZrB_2-SiC基复合材料的力学性能分析70-71
• 4.3.2 含复合涂层纤维增强ZrB_2-SiC基复合材料的微观形貌分析71
• 4.4 本章小结71-73
• 结论73-74
• 参考文献74-82
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果82-84
• 致谢84

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本文编号：709488