碳纤维增韧碳化物陶瓷基复合材料研究现状

  碳化物陶瓷具有良好的高温力学性能、高温抗氧化性能、耐蚀耐磨性能和特殊的电、热学等性能,从而倍受人们的青睐。碳化物陶瓷作为一类新型工程陶瓷材料,表现出广阔的发展前景,具有重要的研究价值。

  在碳化物陶瓷的研究及应用过程中,研究人员遇到了诸多问题,其中最主要的有:(1)碳化物陶瓷的制备成本较高;(2)成品的可靠性和重现性较差。为了制备具有高可靠性的制品,研究人员积极开展实验,发现将碳纤维引入超高温陶瓷基体中是一种提高超高温陶瓷材料可靠性的有效途径。

  研究表明,Cf/SiC复合材料的抗氧化性能较差,一方面是材料中的孔隙率在10%以上,为氧气提供了扩散通道,使得碳纤维极易被氧化;另一方面是碳纤维与SiC的热膨胀系数不同,会导致残余热应力的产生,从而使材料基体产生裂纹,进而导致碳纤维直接被氧化,使循环寿命缩短。Cf/SiC复合材料的最高使用温度一般在1600℃左右,在较高温度下长时间使用需要进行冷却。SiC基体的致命弱点是在2000℃开始软化,2700℃分解,不能在3000℃以上的温度条件下使用[50、51],因此,Cf/SiC复合材料在碳纤维与基体的界面结合、提高抗氧化性能方面还有待进一步研究。研究人员利用PIP法,将碳纤维预制体在PCS中浸渍不同的次数制备了SiC含量不同的S6-Cf/ZrC-SiC和S4-Cf/ZrC-SiC复合材料,并对其力学性能及微观结构进行了分析。研究发现,由于PCS浸渍效率高,陶瓷产率高,S6-Cf/ZrC-SiC复合材料密度为2.11 g/cm3,抗弯强度为(136.0±13.1)MPa,弹性模量为(31.8±2.6)GPa,断裂韧性为(7.3±0.3)MPa·m1/2。

  许多发达国家都在积极开展Cf/SiC复合材料的研究。目前应用最为广泛的陶瓷基复合材料主要是SiC或碳纤维增强的SiC和Si3N4基复合材料。由于陶瓷基复合材料具有密度小(仅为高温合金的1/4 ~ 1/3)、力学性能好和耐腐蚀性好及耐磨性好等优点,陶瓷基复合材料,尤其是碳纤维增韧陶瓷基复合材料,已被应用于发动机高温静止部件(如喷嘴、火焰稳定器、燃烧室火焰筒、燃烧室和内外衬等),并尝试应用于涡轮转子叶片、涡轮导流叶片等部件。