【结构材料】陶瓷基复合材料(202404)

陶瓷基复合材料是一种全新的结构材料,最大的优点是耐高温。 这类以陶瓷为基体与各种纤维复合而成的复合材料,具有类金属断裂韧性,对裂纹不敏感、没有灾难性损毁,能够在保持传统陶瓷材料耐高温、高强度、低密度等优良性能的同时,克服其脆性大的致命弱点。 陶瓷基复合材料也被誉为世界航空航天工业发展的核心材料技术,当应用在航空航天的热端部件,这类材料在耐高温性能上具有绝对的优势,因此不少国家已经将陶瓷基复合材料作为新型战略材料。 

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1. 碳纤维布表面PyC界面相微观结构及均匀性的工艺调控
薛轶凡, 李玮洁, 张中伟, 庞旭, 刘愚
无机材料学报    2024, 39 (4): 399-408.   DOI: 10.15541/jim20230512
摘要86)   HTML4)    PDF(pc) (31277KB)(108)    收藏

陶瓷基复合材料力学性能与界面相的微观结构和均匀性有密切关系。本研究在碳纤维布表面沉积PyC界面相, 探究沉积温度、丙烯分压、滞留时间和氢气分压等工艺参数对PyC界面相微观结构及均匀性的影响规律。使用多种手段对PyC界面相微观形貌、织构进行表征, 并分析了微观结构、均匀性与工艺参数之间的内在关联。结果表明: 界面相织构的规整度随沉积温度和丙烯分压的提高而提高, 随氢气分压的提高而降低, 而受滞留时间影响较小; 沉积温度和丙烯分压升高均导致界面相厚度分布更加不均匀, 且丙烯分压过高会直接产生炭黑, 延长滞留时间有利于提高界面相的均匀性; 对于中织构和高织构, 随着氢气分压提高, 界面相均匀性先降低后增加, 而低织构的界面相均匀性受其影响较小。最后, 阐明了PyC界面相生长模式, 揭示了工艺参数对PyC界面相织构形态及均匀性的影响规律, 为PyC界面相的精细调控提供了基础。

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2. 含有石墨烯阵列的SiC基陶瓷材料的制备与力学性能
孙川, 何鹏飞, 胡振峰, 王荣, 邢悦, 张志彬, 李竞龙, 万春磊, 梁秀兵
无机材料学报    2024, 39 (3): 267-273.   DOI: 10.15541/jim20230259
摘要192)   HTML22)    PDF(pc) (5877KB)(149)    收藏

碳化硅陶瓷是一种重要工程材料, 但具有一定的脆性, 这限制了其进一步应用。二维石墨烯具有诸多优良特性, 可以作为第二相对碳化硅陶瓷材料进行性能改善。然而石墨烯在陶瓷基体中存在分散性较差等问题, 难以发挥其对陶瓷基体的改性作用。为解决以上问题, 本工作以陶瓷有机前驱体聚碳硅烷和工业可膨胀石墨为原料, 通过前驱体-纳米插层技术制备了少层石墨烯纳米片(GNPs)的体积分数分别为1%、3%和5%的SiC/GNPs陶瓷基复合材料。GNPs在SiC陶瓷基体中呈阵列态平行排布, 显示出极高的取向性; 随着GNPs含量增加, 阵列中GNPs的间距依次递减, 表现出一定的微观组织拓扑可调节性; 加入GNPs显著提高了SiC陶瓷的断裂韧性, 当GNPs含量为3%时, 样品的相对密度为98.5%, 抗弯强度为445 MPa, 断裂韧性达到最高值5.67 MPa·m1/2, 相比纯SiC陶瓷提高了40%, 由GNPs引发的裂纹偏转与桥连是主要的增韧机制。而进一步提高GNPs含量, 断裂韧性下降至4.37 MPa·m1/2。这种含有石墨烯阵列的复合材料可以用于新型“结构-功能一体化”SiC基陶瓷器件的设计与开发。

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3. SiC/SiC复合材料层板低速冲击及其剩余强度试验研究
吴军, 徐培飞, 荆瑞, 张大海, 费庆国
无机材料学报    2024, 39 (1): 51-60.   DOI: 10.15541/jim20230302
摘要165)   HTML26)    PDF(pc) (6439KB)(291)    收藏

高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题, 低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象, 在不同能量下开展了低速冲击试验, 分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态, 通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌, 结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线, 分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验, 研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明, 在低速冲击载荷的作用下, 试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤, 试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能, 虽然试验件损伤勉强目视可见,但其剩余压缩强度为无损件81%, 剩余拉伸强度仅为无损件的68%。

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4. 低温反应熔渗工艺制备AlN-SiC复相陶瓷及其性能研究
孙小凡, 陈小武, 靳喜海, 阚艳梅, 胡建宝, 董绍明
无机材料学报    2023, 38 (10): 1223-1229.   DOI: 10.15541/jim20230091
摘要162)   HTML25)    PDF(pc) (4516KB)(299)    收藏

AlN-SiC复相陶瓷力学性能好、导热性与抗高温氧化性能优异, 作为纤维增强陶瓷基复合材料的基体材料具有良好的应用前景。本研究以Si-Al合金为熔渗介质, 多孔C-Si3N4为熔渗预制体, 对低温反应熔渗制备AlN-SiC复相陶瓷及其性能展开研究。研究发现Si-Al合金形态对反应熔渗过程存在着重要的影响: 以Si-Al合金粉末作为熔渗介质时, 反应熔渗过程中在Si-Al/C-Si3N4界面处将原位形成一层致密的Al-O阻挡层, 从而严重阻碍Si-Al熔体向C-Si3N4预制体内部的渗透, 使反应熔渗过程难以进行;以Si-Al合金锭作为熔渗介质时, Si-Al熔体可以深入渗透到多孔C-Si3N4预制体内部, 并通过进一步反应, 原位形成致密的AlN-SiC复相陶瓷。材料性能测试表明, 所得材料的力学和热学性能与其内部残余硅含量关系密切。随着残余硅含量降低, 材料强度明显提升, 而热导率有所下降。含质量分数4%残余硅的AlN-SiC复相陶瓷, 抗弯强度达到320.1 MPa, 热导率达26.3 W·m-1·K-1, 材料的强度几乎与传统反应烧结SiC陶瓷相当, 并深入探讨了出现上述现象的本质原因。本研究对低温熔渗工艺制备SiCf/AlN-SiC复合材料具有重要的指导意义。

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5. C/C多孔体的高温热处理对C/C-SiC复合材料摩擦磨损行为的影响
张硕, 付前刚, 张佩, 费杰, 李伟
无机材料学报    2023, 38 (5): 561-568.   DOI: 10.15541/jim20220555
摘要240)   HTML19)    PDF(pc) (6967KB)(262)    收藏

低密度C/C多孔体的结构与性能调控是制备具有优异摩擦磨损性能的C/C-SiC复合材料的关键。本研究采用化学气相渗积法制备了C/C多孔体, 并对其进行2100 ℃高温热处理, 再通过反应熔渗法制备了C/C-SiC复合材料, 研究了C/C多孔体高温热处理对C/C-SiC复合材料微观结构、导热性能和摩擦磨损性能的影响。结果表明, 经2100 ℃热处理的C/C多孔体孔隙率和石墨化程度增加, 用其制备的C/C-SiC复合材料比C/C多孔体未经热处理的密度更大(2.22 g/cm3), 孔隙率由5.1%降低至3.4%, SiC陶瓷相含量比热处理前提高11.9%。石墨化程度越高,声子的平均自由程越大, 因此其室温的导热率提升到3.1倍, 1200 ℃导热率提升到1.2倍。经过热处理的热解炭更软, 摩擦面易形成连续且稳定的摩擦膜, 因此摩擦系数更稳定, 并且在测试载荷为3、6和9 N下磨损率均显著降低, 下降幅度达到47.8%、41.9%和11.7%, 平均摩擦系数分别为0.47、0.38和0.39。综上所述, 对C/C多孔体进行高温热处理可使C/C-SiC复合材料的导热性能提升, 更耐磨并且表现出更稳定的摩擦系数。

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6. 残余拉应力的温度依赖性及其对裂纹扩展行为的影响
李海燕, 旷峰华, 吴昊龙, 刘小根, 包亦望, 万德田
无机材料学报    2023, 38 (11): 1265-1270.   DOI: 10.15541/jim20230214
摘要190)   HTML24)    PDF(pc) (853KB)(343)    收藏

为研究以高膨胀系数的陶瓷为涂层, 低膨胀系数的陶瓷为基体的预应力陶瓷的高温力学性能, 本工作以氧化锆为涂层, 氧化铝为基体, 制得表层为拉应力的“三明治”结构ZrO2-Al2O3(简称ZcAs)预应力陶瓷。同时选用基体与涂层截面比值相近的Al2O3-ZrO2(简称AcZs)预应力陶瓷、纯ZrO2和纯Al2O3陶瓷为参照样。结合不同温度下的弯曲强度测试结果及维氏压痕结果, 阐明预应力的存在形式及其对裂纹扩展行为的影响, 并研究预应力的温度依赖性。结果表明: ZcAs预应力陶瓷的表层受拉应力, 基体受压应力; 而AcZs预应力陶瓷的表层受压应力, 基体受拉应力。由于拉应力能够促进裂纹扩展, 而压应力能够抑制裂纹扩展, 因此室温下, ZcAs的强度比纯Al2O3陶瓷降低13.2%, 而AcZs的强度比纯ZrO2陶瓷提高25.0%。此外, 无论表层是拉应力还是压应力, 都随着温度升高而降低, 这主要归因于高温导致的预应力松弛。

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7. Cansas-II SiCf/SiC复合材料的高温拉伸蠕变行为
荆开开, 管皞阳, 朱思雨, 张超, 刘永胜, 王波, 王晶, 李玫, 张程煜
无机材料学报    2023, 38 (2): 177-183.   DOI: 10.15541/jim20220441
摘要793)   HTML29)    PDF(pc) (1991KB)(490)    收藏

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiCf/SiC)是发展先进航空发动机的关键材料, 航空发动机长时服役要求材料具有优异的高温蠕变性能。本工作研究了平纹编织Cansas-II碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiCf/SiC)在空气中的高温蠕变行为, 蠕变温度为1200~1400 ℃, 应力水平为80~140 MPa。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了2D-SiCf/SiC复合材料的微观组织和断口形貌, 使用能谱分析仪(EDS)进行了成分分析。结果表明: 当蠕变应力低于比例极限应力(σPLS)时, 2D-SiCf/SiC的蠕变断裂时间超过500 h, 稳态蠕变速率为1×10-10~5×10-10 /s, 蠕变行为由基体和纤维共同控制。当蠕变应力高于σPLS时, 复合材料的基体、纤维和界面均发生氧化, 蠕变断裂时间显著降低, 稳态蠕变速率提高一个数量级, 蠕变行为主要由纤维控制。

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8. 热管理用高导热碳化硅陶瓷基复合材料研究进展
陈强, 白书欣, 叶益聪
无机材料学报    2023, 38 (6): 634-646.   DOI: 10.15541/jim20220640
摘要520)   HTML27)    PDF(pc) (7177KB)(568)    收藏

碳化硅陶瓷基复合材料以其高比强度、高比模量、高导热、良好的耐烧蚀性能、高温抗氧化性、抗热震性能等特性, 广泛应用于航空航天、摩擦制动、核聚变等领域, 成为先进的高温结构及功能材料。本文综述了高导热碳化硅陶瓷基复合材料制备及性能等方面的最新研究进展。引入高导热相, 如金刚石粉、中间相沥青基碳纤维等用以增强热输运能力; 优化热解炭炭与碳化硅基体界面用以降低界面热阻; 热处理用以获得结晶度更高、导热性能更好的碳化硅基体; 设计预制体结构用以建立连续导热通路等方法, 提高碳化硅陶瓷基复合材料的热导率。此外, 本文展望了高导热碳化硅陶瓷基复合材料后续研究方向, 即综合考虑影响碳化硅陶瓷基复合材料性能要素, 优化探索高效、低成本的制备工艺; 深入分析高导热碳化硅陶瓷基复合材料导热机理, 灵活运用复合材料结构与性能的构效关系, 以期制备尺寸稳定、具有优异热物理性能的各向同性高导热碳化硅陶瓷基复合材料。

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9. 核用碳化硅纤维增强碳化硅复合材料研究进展
欧阳琴, 王艳菲, 徐剑, 李寅生, 裴学良, 莫高明, 李勉, 李朋, 周小兵, 葛芳芳, 张崇宏, 何流, 杨磊, 黄政仁, 柴之芳, 詹文龙, 黄庆
无机材料学报    2022, 37 (8): 821-840.   DOI: 10.15541/jim20220145
摘要1371)   HTML110)    PDF(pc) (6958KB)(1341)    收藏

碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)复合材料具有低中子毒性、耐中子辐照和耐高温氧化等特性, 成为先进核能系统重要的候选结构材料。近年来, 国内外学术界和工业界针对核用SiCf/SiC复合材料开展了大量研究工作, 取得了一系列重要的研究进展。针对SiCf/SiC复合材料面向核用所关注的重点方向, 如核用SiC纤维、纤维/基体界面相、复合材料制备工艺、数值仿真、腐蚀行为和表面防护、连接技术以及辐照损伤等方面, 本文进行了综述和讨论, 并针对核用要求指出了SiCf/SiC复合材料存在的主要问题和可能的解决思路, 希望对该材料的进一步研发和最终应用有所裨益。

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10. 碳化硅纳米线增强多孔碳化硅陶瓷基复合材料的制备
阮景, 杨金山, 闫静怡, 游潇, 王萌萌, 胡建宝, 张翔宇, 丁玉生, 董绍明
无机材料学报    2022, 37 (4): 459-466.   DOI: 10.15541/jim20210230
摘要541)   HTML38)    PDF(pc) (1868KB)(1332)    收藏

构建多孔碳化硅纳米线(SiCNWs)网络并控制化学气相渗透(CVI)过程,可设计并获得轻质、高强度和低导热率SiC复合材料。首先将SiCNWs和聚乙烯醇(PVA)混合,制备具有最佳体积分数(15.6%)和均匀孔隙结构的SiCNWs网络;通过控制CVI参数获得具有小而均匀孔隙结构的SiCNWs增强多孔SiC(SiCNWs/SiC)陶瓷基复合材料。SiC基体形貌受沉积参数(如温度和反应气体浓度)的影响,从球状颗粒向六棱锥颗粒形状转变。SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料的孔隙率为38.9%时,强度达到(194.3±21.3) MPa,导热系数为(1.9 ± 0.1) W/(m∙K),显示出增韧效果,并具有低导热系数。

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11. 三维碳化硅纳米线增强碳化硅陶瓷基复合材料的电磁屏蔽性能
阮景, 杨金山, 闫静怡, 游潇, 王萌萌, 胡建宝, 张翔宇, 丁玉生, 董绍明
无机材料学报    2022, 37 (5): 579-584.   DOI: 10.15541/jim20210224
摘要549)   HTML39)    PDF(pc) (932KB)(855)    收藏

碳化硅纳米线具有优异的电磁吸收性能, 三维网络结构可以更好地使电磁波在空间内被多次反射和吸收。通过抽滤的方法制备得到体积分数20%交错排列的碳化硅纳米线网络预制体。然后采用化学气相渗透工艺制备热解炭界面和碳化硅基体, 并通过化学气相渗透和前驱体浸渍热解工艺得到致密的SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料。甲烷和三氯甲基硅烷分别是热解炭和碳化硅的前驱体, 随着热解碳质量分数从21.3%增加到29.5%, 多孔SiCNWs预制体电磁屏蔽效率均值在8~12 GHz (X)波段从9.2 dB增加到64.1 dB。质量增重13%的热解碳界面修饰的SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料在X波段平均电磁屏蔽效率达到37.8 dB电磁屏蔽性能。结果显示, SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料在新一代军事电磁屏蔽材料中具有潜在应用前景。

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12. 超高温复相陶瓷基复合材料烧蚀行为研究
琚印超, 刘小勇, 王琴, 张伟刚, 魏玺
无机材料学报    2022, 37 (1): 86-92.   DOI: 10.15541/jim20210182
摘要742)   HTML53)    PDF(pc) (8362KB)(1452)    收藏

采用前驱体浸渍热解(PIP)工艺制备了ZrC-SiC、ZrB2-ZrC-SiC和HfB2-HfC-SiC复相陶瓷基复合材料, 复合材料中的超高温陶瓷相均呈现出亚微米/纳米均匀弥散分布的特征, 对比研究了上述材料在大气等离子和高温电弧风洞考核环境中的超高温烧蚀行为。研究结果表明, 超高温复相陶瓷基复合材料相比传统的未改性SiC基复合材料, 烧蚀后复合材料表面原位生成了固液两相致密氧化膜, 两相协同作用实现了抗冲蚀和抗氧化的效果, 对液相SiO2的流失起到了阻碍作用, 提升了材料的超高温烧蚀性能。在此基础上, 提出了设计超高温复相陶瓷基复合材料应考虑的因素。上述研究结果对陶瓷基复合材料在超高温有限寿命领域的应用具有一定的指导意义。

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13. 2D SiC/SiC复合材料电阻率对服役环境的响应特性
魏婷婷, 高希光, 宋迎东
无机材料学报    2022, 37 (4): 420-426.   DOI: 10.15541/jim20210138
摘要384)   HTML23)    PDF(pc) (12829KB)(1147)    收藏

研究针对不同服役环境下2D SiC/SiC复合材料的电阻率特性进行了研究。从1300 ℃降至室温的无氧环境中, 复合材料的电阻率随温度降低而增大; 借助曲线拟合, 建立了电阻率与温度之间的映射关系。在1300 ℃空气环境中氧化20和60 h后, 由于PyC界面层和SiC基体的氧化, 复合材料的导电性显著降低; 以SiO2的含量定量表征氧化程度, 建立了电阻率与氧化损伤之间的映射关系。复合材料的电阻率和应力随应变的变化趋势相似, 电阻率变化率和刚度随应变的变化趋势相反。在线性阶段, 基体开裂数量极少, 刚度几乎不变, 电阻率缓慢增大; 在非线性阶段, 基体开裂数量增加较快, 造成刚度降低, 电阻率快速增大; 后半段的基体裂纹数量缓慢增多, 刚度和电阻率变化率趋于平稳。

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14. 原位引入BN-SiC燃烧合成Si3N4-BN-SiC复合材料
张叶, 姚冬旭, 左开慧, 夏咏锋, 尹金伟, 曾宇平
无机材料学报    2022, 37 (5): 574-578.   DOI: 10.15541/jim20210422
摘要338)   HTML21)    PDF(pc) (2620KB)(670)    收藏

Si3N4-BN-SiC复合材料以其良好的力学性能和抗氧化性能而具有良好的工程应用前景。本研究以Si、Si3N4稀释剂、B4C和Y2O3为原料, 采用燃烧合成法成功制备了Si3N4-BN-SiC复合材料。通过Si、B4C和N2气之间的反应, 在Si3N4陶瓷中原位引入BN和SiC, 制备的Si3N4-BN-SiC复合材料由长棒状的β-Si3N4和空心球形复合材料组成。实验研究了空心球微结构的形成机理, 结果表明, 生成的SiC、BN颗粒及玻璃相覆盖在原料颗粒上, 当原料颗粒反应完全时, 形成空心球形微结构。并进一步研究了B4C含量对Si3N4-BN-SiC复合材料力学性能的影响。原位引入SiC和BN在一定程度上可以提高复合材料的力学性能。当B4C添加量为质量分数0~20%时, 获得了抗弯强度为28~144 MPa、断裂韧性为0.6~2.3 MPa·m 1/2, 杨氏模量为17.4~54.5 GPa, 孔隙率为37.7%~51.8%的Si3N4-BN-SiC复合材料。

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15. 碳化硼颗粒级配对硅反应结合碳化硼复合材料结构与性能的影响
夏乾, 孙是昊, 赵义亮, 张翠萍, 茹红强, 王伟, 岳新艳
无机材料学报    2022, 37 (6): 636-642.   DOI: 10.15541/jim20210452
摘要347)   HTML12)    PDF(pc) (3443KB)(666)    收藏

本研究探讨了碳化硼原料颗粒尺寸对反应结合碳化硼复合材料相组成、结构与性能的影响。研究结果表明:颗粒级配可以使粉体堆积更加密实, 有效提高压制坯体的体积密度, 最终降低复合材料中游离Si的含量; 加入粗颗粒可减缓B4C与Si的反应, 减少SiC相的生成; 当原料中粒径为3.5、14、28、45 μm的B4C粉体按质量比为1.5 : 4 : 1.5 : 3配比时, 所制备的复合材料维氏硬度、抗弯强度、断裂韧性和体积密度分别为(29±5) GPa、(320±32) MPa、(3.9±0.2) MPa·m1/2和2.51 g/cm3。在制备复合材料过程中减缓B4C与Si反应速度、减少游离Si的含量和缩小Si区域尺寸是其性能升高的主要原因。

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16. SiC/SiC-哈氏合金异质连接机制及其氟熔盐腐蚀特性分析
王洪达, 冯倩, 游潇, 周海军, 胡建宝, 阚艳梅, 陈小武, 董绍明
无机材料学报    2022, 37 (4): 452-458.   DOI: 10.15541/jim20210381
摘要318)   HTML24)    PDF(pc) (2744KB)(713)    收藏

以Cu-2.67Ni钎料, 采用钎焊工艺获得了SiC/SiC复合材料-哈氏合金异质接头, 并研究了其在800 ℃的FLiNaK熔盐中的腐蚀行为。利用不同手段表征了接头微观结构和氟熔盐腐蚀行为。结果表明, Ni、Cr、Mo等合金元素以及SiC中的Si元素发生互扩散。Cr元素替代Ni元素, 在焊料-复合材料界面富集并形成不连续碳化物层。高温钎焊加速Ni扩散并侵蚀SiC, 低温钎焊导致焊料熔融不充分。钎焊过程中的元素扩散改变了哈氏合金的组成,导致其耐腐蚀性能恶化。Cr与Si的选择性溶出导致钎焊接头及合金的腐蚀损伤, 这与热力学计算结果一致。

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17. 国产550级连续氧化铝陶瓷纤维的高温拉伸性能研究
王新刚, 杨青青, 林根连, 高巍, 秦福林, 李荣臻, 康庄, 王小飞, 蒋丹宇, 闫继娜
无机材料学报    2022, 37 (6): 629-635.   DOI: 10.15541/jim20210443
摘要429)   HTML33)    PDF(pc) (1326KB)(969)    收藏

氧化物陶瓷纤维具有优良的耐高温和抗氧化性能, 是航空航天领域用复合材料增强相的重要候选材料。高温拉伸性能是氧化物陶瓷纤维在极端环境应用的关键评价指标之一, 但相关报道较少。本工作研究了国产550级纤维的高温拉伸性能和热处理后的室温拉伸性能, 探讨了纤维的拉伸性能与其物相和显微结构的演变关系和内在机理, 并与Nextel 720和CeraFib纤维的高温拉伸性能进行了对比。结果表明, 国产SIC550纤维复丝和单丝在1100 ℃以下具有相对较高的拉伸强度和拉伸强度保持率, 由于纤维中无定形SiO2的高温热稳定性较差, 对纤维1200 ℃以上的高温拉伸性能产生明显不利的影响; 通过在临界相转变温度(1300 ℃)对纤维进行热处理来形成莫来石相, 可在一定程度上改善纤维在1250~1400 ℃的高温拉伸性能。考虑到不同标距的影响, SIC550纤维在1100 ℃的高温拉伸强度(883 MPa)与Nextel 720 (1000 MPa)和CeraFib纤维(940 MPa)接近。

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