曹　宇，劉榮軍，曹英斌，龍憲海，嚴(yán)春雷，張長瑞

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073)

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素坯密度對氣相滲硅制備C/C-SiC復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響

曹宇，劉榮軍，曹英斌，龍憲海，嚴(yán)春雷，張長瑞

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073)

三維針刺碳?xì)纸?jīng)化學(xué)氣相滲透(Chemical Vapor Infiltration, CVI)增密制備C/C素坯，通過氣相滲硅(Gaseous Silicon Infiltration, GSI)制備C/C-SiC復(fù)合材料。研究素坯密度與CVI C層厚度及素坯孔隙率的變化規(guī)律，并分析素坯密度對C/C-SiC復(fù)合材料力學(xué)性能、熱學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著素坯密度增大，CVI C層變厚，孔隙率減??；C/C-SiC復(fù)合材料中殘C量隨之增大，殘余Si量隨之減小，SiC先保持較高含量(體積分?jǐn)?shù)約40%)，隨后迅速降低，C/C-SiC復(fù)合材料密度逐漸減小，力學(xué)性能先增大后減小，而熱導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)降低至平穩(wěn)。當(dāng)素坯密度為1.085g/cm3時，復(fù)合材料力學(xué)性能最好，彎曲強(qiáng)度可達(dá)308.31MPa，斷裂韌度為11.36MPa·m1/2。研究發(fā)現(xiàn)：素坯孔隙率較大時，滲硅通道足夠，殘余硅多，且CVI C層較薄，纖維硅蝕嚴(yán)重，C/C-SiC復(fù)合材料力學(xué)性能低；素坯孔隙率較小時，滲硅通道很快阻塞，Si和SiC含量少，而閉孔大且多，C/C-SiC復(fù)合材料力學(xué)性能也不高。

C/C素坯；氣相滲硅；C/C-SiC；CVI C；力學(xué)性能

C/C-SiC復(fù)合材料密度低，具有C，SiC雙基體，故在保留C/C材料高比強(qiáng)、高比模、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹等性能的同時，還提高了高溫抗氧化性能、摩擦磨損性能等。正是由于上述優(yōu)點，C/C-SiC復(fù)合材料在空間光機(jī)結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)和高速列車的剎車件、航天熱結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。

碳陶復(fù)合材料的制備方法主要有先驅(qū)體浸漬裂解(Polymer Infiltration and Pyrolysis, PIP)、化學(xué)氣相滲透(Chemical Vapor Infiltration,CVI)，液相/氣相滲硅工藝(LSI/GSI)。PIP和CVI方法制備的SiC基復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)異，在用作熱防護(hù)材料等領(lǐng)域具有很強(qiáng)優(yōu)勢。該方法工藝成熟、重復(fù)性好，但成本高、工藝周期長，且得到的復(fù)合材料存在一定孔隙等缺陷，導(dǎo)致其熱導(dǎo)率低(<15W/(m·K))[6-10]。LSI是利用液態(tài)Si滲入到多孔預(yù)制件中，Si和C原位發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到SiC基體，該方法制備的復(fù)合材料致密度高、SiC基體為結(jié)晶態(tài)β-SiC，因而得到的SiC復(fù)合材料模量高、熱導(dǎo)率高[11,12]。GSI是從LSI基礎(chǔ)上發(fā)展而來，從二者工藝原理對比看：液相硅與固體碳反應(yīng)時，反應(yīng)接觸面積大，參加反應(yīng)的物質(zhì)的量大，反應(yīng)過程劇烈，不易控制，容易在樣品表面結(jié)殼，樣品滲透厚度有限；氣相硅與固體碳反應(yīng)比較溫和，容易控制，且氣態(tài)硅較液態(tài)硅更易滲入預(yù)制件，可以制備出尺寸較厚且滲透均勻的樣品。因此，氣相滲硅工藝有望制備出綜合性能更為優(yōu)良的低成本碳陶復(fù)合材料，值得深入開展相關(guān)基礎(chǔ)研究工作。然而，目前國內(nèi)外對GSI工藝的報道主要是針對某些特定氈體制備出的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的研究,對GSI缺乏系統(tǒng)性和較為深入的研究，同時，對CVI C增密不同密度C/C素坯并通過GSI制備C/C-SiC復(fù)合材料的系統(tǒng)性研究也鮮有報道[13-18]。眾所周知，對于滲硅工藝制備的C/C-SiC復(fù)合材料來說，素坯的密度、孔隙率及成分直接影響氣相滲硅的工藝過程，同時也影響到所制備出的C/C-SiC復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)及性能，因此，本工作以三維針刺碳?xì)纸?jīng)CVI法沉積不同密度的C/C素坯，通過GSI制備出C/C-SiC復(fù)合材料，系統(tǒng)研究了素坯密度、孔隙率對C/C-SiC復(fù)合材料力學(xué)性能及熱學(xué)性能的影響規(guī)律，分析探討了氣相滲硅工藝過程及所制備材料的性能特點與變化規(guī)律。

1　實驗過程

1.1C/C素坯的制備

本工作選用三維針刺碳?xì)譃轭A(yù)制件，纖維體積分?jǐn)?shù)為30%，經(jīng)CVI增密制備不同密度C/C素坯，密度分別為0.822，0.948，1.085，1.192，1.363g/cm3。

1.2GSI制備C/C-SiC復(fù)合材料

將前期制備的C/C素坯置于鋪滿硅粉顆粒(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.0%以上，200目)的坩堝，氬氣保護(hù)下經(jīng)6h升溫至1650℃，保溫60min，使GSI反應(yīng)充分，隨后在真空環(huán)境下隨爐冷卻。

1.3測試與分析

采用阿基米德排水法測出C/C素坯以及GSI制備的C/C-SiC復(fù)合材料的密度及開孔率；利用SIEMENS D500 X射線衍射儀(XRD)對所制備的C/C-SiC進(jìn)行物相分析，經(jīng)HF、濃HNO3混酸腐蝕硅，測定硅含量，隨后在馬弗爐中加熱至800℃，保溫6h除碳，測定碳含量，剩余SiC；運(yùn)用掃描電子顯微鏡(SEM)對C/C素坯以及復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量以及斷裂韌度采用三點彎曲法，彎曲強(qiáng)度和模量試樣尺寸為45mm×4mm×3mm，跨距為30mm；斷裂韌度試樣尺寸為30mm×2mm×4mm，跨距為20mm，切口深度約2mm。這兩項測試在WDW-100萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行；材料的熱膨脹系數(shù)測試NETZSCH-DIL-402C/E熱膨脹儀上進(jìn)行，試樣尺寸為25mm×5mm×5mm；熱導(dǎo)率在LAF447激光導(dǎo)熱儀上進(jìn)行，試樣尺寸為φ12.7mm×5mm。

2　結(jié)果與分析

2.1素坯密度與素坯孔隙率、CVI C層厚度關(guān)系

圖1為本工作所用素坯的微觀組織結(jié)構(gòu)圖，從圖1(a)素坯的整體微觀結(jié)構(gòu)可知：素坯由0°無緯布、胎網(wǎng)層、90°無緯布按順序排布，加以針刺，并通過CVI法增密碳?xì)?，其中CVI C主要包裹在纖維外圍，如圖1(b)所示。素坯孔由纖維束內(nèi)部的小孔，以及胎網(wǎng)層和針刺束附近較大的孔組成，如圖1(c)所示。隨著素坯密度的增大，素坯的孔隙率隨之減小，纖維外包裹的CVI C層厚度由幾百納米增大到幾微米。此外，隨著素坯密度的增加，由于CVI C滲透深度足夠，纖維束內(nèi)部的小孔逐漸減少，當(dāng)密度為1.363g/cm3，素坯中孔主要分布于胎網(wǎng)層以及針刺束附近的大孔，而纖維束內(nèi)部已經(jīng)較為致密,如圖1(d)所示。表1為C/C素坯具體的性能參數(shù)。

隨著素坯密度的增大，素坯結(jié)構(gòu)最大的變化即CVI C層厚度的增大以及孔隙率的減小，進(jìn)而表現(xiàn)為纖維束內(nèi)部小孔減少而致密，胎網(wǎng)層以及纖維束間大孔變小，這對GSI過程產(chǎn)生很大影響。

2.2素坯密度對C/C-SiC復(fù)合材料物相組成的影響

由GSI制備的 C/C-SiC復(fù)合材料的XRD圖譜如圖2所示，可以看出，復(fù)合材料主要由C，β-SiC，Si三相組成；另外，從XRD的對比可以粗略地看出，隨著素坯密度的增大，復(fù)合材料中含碳量增大，而殘余Si量減少。經(jīng)混酸腐蝕除Si，熱氧化法除C，并對其各相組成含量(體積分?jǐn)?shù)，下同)進(jìn)一步分析，結(jié)果見表2。

圖1　C/C素坯的微觀組織結(jié)構(gòu)圖　(a)，(b)ρC/C=1.085g/cm3；(c)ρC/C=0.822g/cm3；(d)ρC/C=1.363g/cm3Fig.1　Morphologies of C/C preforms　(a)，(b)ρC/C=1.085g/cm3；(c)ρC/C=0.822g/cm3；(d)ρC/C=1.363g/cm3表1　C/C素坯的性能參數(shù)Table 1　Basic parameters of C/C preforms

VolumefractionofCfiber/%C/Cpreformdensity/(g·cm-3)OpenporosityofC/Cpreform/%CoatingthicknessofCVIC/μm300.82252.6About0.2300.94846.5About1301.08541.7About2301.19231.1About2.2301.36329.3About4.2

圖2　C/C-SiC復(fù)合材料的XRD圖譜Fig.2　XRD spectra of C/C-SiC composites

表2的數(shù)據(jù)顯示，隨著素坯密度增大，復(fù)合材料各相含量中，含碳量隨之增大，而殘余硅隨之減小。SiC

表2　GSI 制備的C/C-SiC復(fù)合材料密度、 各組成體積分?jǐn)?shù)及孔隙率Table 2　Density, volume fraction and porosity of C/C-SiC composites fabricated by GSI

先保持較高含量(>40%)，隨后迅速降低；閉孔率先減小后迅速增大，因此復(fù)合材料的密度會隨之減小。C/C-SiC復(fù)合材料中含碳量主要取決于素坯本身的含碳量以及GSI制備過程中參與反應(yīng)的碳量。隨著素坯密度的增大，素坯本身的含碳量不斷增加，其次隨著素坯孔隙率的減小，參與反應(yīng)的碳含量隨之減少，因此隨著素坯密度的增大，復(fù)合材料的含碳量也隨之增大。SiC，Si量及孔隙率變化的原因?qū)膹?fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)加以深入探討與分析。

2.3素坯密度對C/C-SiC復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)的影響

通過前面分析可知，素坯結(jié)構(gòu)變化主要體現(xiàn)在CVI C層厚度以及孔隙的變化兩個方面。

(1)CVI C層厚度對GSI的影響主要體現(xiàn)在C/C-SiC復(fù)合材料中碳纖維和SiC基體結(jié)構(gòu)上。由于CVI C較致密，故GSI反應(yīng)生成的SiC亦較致密，隨著SiC層變厚，Si以及C反應(yīng)難度增大，因此CVI C層較厚時能有效保護(hù)碳纖維，而CVI C層較薄時，如當(dāng)素坯密度為0.822g/cm3，纖維束外圍、針刺束附近以及胎網(wǎng)層纖維將不可避免發(fā)生硅蝕。如圖3(a)所示，針刺束及胎網(wǎng)層區(qū)域基本被Si和SiC所占據(jù)；圖3(b)也能看出碳纖維外的CVI C已反應(yīng)耗盡，纖維直徑明顯變小。另外，GSI反應(yīng)后制備的材料中殘?zhí)己?18.0%)遠(yuǎn)低于素坯纖維含量(30%)，纖維必然受到硅蝕，將會降低材料的力學(xué)性能。

(2)孔隙的變化對GSI的影響主要體現(xiàn)在滲硅通道上。當(dāng)素坯孔隙率較大時，胎網(wǎng)層及纖維束間孔較大，GSI能夠充分進(jìn)行，但隨著致密的SiC基體增多，Si-C反應(yīng)減緩，導(dǎo)致最終在大孔芯部未能反應(yīng)的殘留硅較多(見圖3(a))，而纖維束內(nèi)部雖然仍有較多小孔，但由于纖維之間接觸較緊密，氣態(tài)硅不能充分滲入，導(dǎo)致最終C/C-SiC復(fù)合材料纖維束內(nèi)部仍有較多小孔(見圖3(c))，這部分小孔隨著素坯密度的增大而致密(見圖3(d))，故隨著素坯密度的增加，C/C-SiC復(fù)合材料的閉孔率起初隨之減小。當(dāng)素坯孔隙率較小時，滲硅通道小，氣態(tài)硅與固態(tài)碳反應(yīng)體積膨脹，很快阻塞滲硅通道，導(dǎo)致最終復(fù)合材料內(nèi)部閉孔多且大，如圖3(e)所示。因此隨著素坯密度增大，即素坯孔隙率減小，C/C-SiC的閉孔率先減小后迅速增大。

由于隨著素坯密度增大，素坯中大孔減小，因此基體心部殘留Si隨之減少。隨著素坯孔隙率進(jìn)一步減小，滲硅通道被阻塞，素坯心部大孔未能充分反應(yīng)最終形成閉孔，使得殘余Si含量迅速減少。與此同時，素坯孔隙率大時，Si-C反應(yīng)充分，SiC含量較高(約40%左右)，然而當(dāng)滲硅通道受阻時，生成的SiC量也迅速降低。通過對閉孔附近纖維表面的深入觀察發(fā)現(xiàn)，纖維表面被納米SiC顆粒包裹，如圖3(f)所示。這是由于素坯孔隙率較小時，滲硅通道迅速阻塞，可供反應(yīng)硅不足，僅能與纖維外CVI C發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致SiC晶粒不能充分長大，最終在閉孔附近纖維形成以納米SiC晶粒包裹的柱狀結(jié)構(gòu)[19，20]。

圖3　C/C-SiC復(fù)合材料SEM微觀形貌圖　(a)～(c)ρC/C =0.822g/cm3；(d)ρC/C =0.948 g/cm3；(e)，(f)ρC/C =1.363g/cm3Fig.3　SEM morphologies of C/C-SiC composites　(a)-(c)ρC/C=0.822g/cm3；(d)ρC/C=0.948g/cm3；(e)，(f)ρC/C=1.363g/cm3

通過以上對C/C-SiC復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的觀察與分析，充分解釋了復(fù)合材料各成分含量變化的原因。 綜上所述，隨著C/C素坯密度增大，殘余硅含量隨之減小，含碳量隨之增大，纖維束內(nèi)部小孔減少，而纖維束間大孔增多，SiC先保持較高含量，隨后快速減少，綜合導(dǎo)致復(fù)合材料密度隨著素坯密度的增大而減小。

2.4素坯密度對C/C-SiC復(fù)合材料力學(xué)性能及斷口形貌的影響

圖4　不同素坯密度GSI制備C/C-SiC復(fù)合材料力學(xué)性能關(guān)系Fig.4　Effects of C/C preform density on the mechanical property of C/C-SiC composites fabricated by GSI

不同素坯密度GSI制備的C/C-SiC復(fù)合材料力學(xué)性能測試結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，隨著素坯密度的增大，其彎曲強(qiáng)度、彎曲模量以及斷裂韌度均先增大后減小，當(dāng)密度為1.085g/cm3時，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量以及斷裂韌度最大，分別可達(dá)到308.31MPa，31.71GPa和11.36MPa·m1/2。

從復(fù)合材料的組成各相體積分?jǐn)?shù)分析來看，當(dāng)素坯密度為0.822g/cm3時，不僅脆性相殘余Si體積分?jǐn)?shù)最高，且纖維束內(nèi)部存在較多小孔，另外有部分纖維已被硅蝕，同時由于SiC和Si含量較高，體積膨脹較大，存在較多裂紋，導(dǎo)致材料受力時易沿裂紋擴(kuò)展，因此力學(xué)性能最差。隨著素坯密度的增大，C/C-SiC中脆性相殘余Si含量隨之減少，SiC含量仍保持一較高值，且纖維束內(nèi)部閉孔減少、致密，同時由于CVI C層增厚有效保護(hù)了碳纖維，故而力學(xué)性能隨之提高；當(dāng)素坯密度大于1.085g/cm3時，雖然裂紋很少，但由于Si-C

反應(yīng)通道受限，SiC含量明顯降低，同時閉孔率明顯升高(達(dá)10%)，且閉孔較大，受力時沿閉孔快速擴(kuò)展，因此力學(xué)性能隨之降低。

圖5為不同C/C素坯GSI制備的C/C-SiC復(fù)合材料的斷口形貌。可以看出，當(dāng)素坯密度為0.822g/cm3時，纖維拔出較少，復(fù)合材料呈現(xiàn)脆性斷裂特征，這主要是因為素坯密度較低時，CVI C層較薄，部分碳纖維被Si腐蝕，基體與纖維束呈強(qiáng)界面結(jié)合，且由于纖維束內(nèi)部存在大量孔隙，纖維彼此間結(jié)合很弱，裂紋將很容易通過纖維束內(nèi)孔穿過纖維束，所以復(fù)合材料在承受載荷時易發(fā)生脆性斷裂。隨著素坯密度的增大，復(fù)合材料纖維的拔出明顯增多(如圖5(b)，(c)所示)，所以當(dāng)復(fù)合材料承受載荷時纖維的拔出能吸收更多能量，故而當(dāng)素坯密度為1.085g/cm3時，復(fù)合材料具有更優(yōu)異的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌度。隨著素坯密度的進(jìn)一步增大，斷口纖維拔出雜亂，且有較多大孔，如圖5(d)，(e)所示，這主要因為素坯內(nèi)部氣相滲硅不夠充分，雖然復(fù)合材料斷口仍有較多拔出，但是由于材料閉孔較大，而其彎曲強(qiáng)度和斷裂韌度將隨著素坯密度的進(jìn)一步增大而減小。

綜上所述，隨著素坯密度的增大，由于復(fù)合材料中各相含量、孔以及纖維拔出的影響，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能先增大后減小，斷口纖維拔出由少變多。

圖5　C/C-SiC復(fù)合材料的斷口形貌　(a)ρC/C=0.822g/cm3；(b)ρC/C=0.948g/cm3；(c)ρC/C=1.085g/cm3； (d)ρC/C=1.192g/cm3；(e)ρC/C=1.363 g/cm3Fig.5　Fracture surfaces of C/C-SiC composites　(a)ρC/C=0.822g/cm3;(b)ρC/C=0.948g/cm3;(c)ρC/C=1.085g/cm3; (d)ρC/C=1.192g/cm3;(e)ρC/C=1.363g/cm3

2.5素坯密度對C/C-SiC復(fù)合材料熱學(xué)性能的影響

復(fù)合材料熱導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)的影響因素較多，本工作主要針對素坯密度的不同對GSI制備的C/C-SiC復(fù)合材料熱導(dǎo)率及熱膨脹系統(tǒng)的影響。GSI制備的C/C-SiC復(fù)合材料主要由殘余C、殘余Si、SiC以及孔組成，其顯微結(jié)構(gòu)對熱傳導(dǎo)有明顯影響，甚至在孔的存在下有決定性影響，所以對于顯微結(jié)構(gòu)復(fù)雜的C/C-SiC復(fù)合材料傳熱方式較為復(fù)雜。圖6為不同素坯密度對應(yīng)C/C-SiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，可以看出，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著素坯密度的增加先減小至趨于平穩(wěn)，當(dāng)素坯密度為0.822g/cm3時，復(fù)合材料熱導(dǎo)率最高，為40W/(m·K)。總的來看，C/C-SiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率并不高，這主要是因為材料中存在大量纖維基體界面，界面、微裂紋以及缺陷都對材料的傳熱不利。GSI中Si和C反應(yīng)會導(dǎo)致體積膨脹，易致使基體開裂，所以GSI制備的C/C-SiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率不高。隨著素坯密度的增大，C/C-SiC復(fù)合材料中閉孔逐漸增多，而孔的存在不利于材料中熱的傳遞；另外隨著素坯密度增大，復(fù)合材料中未參與反應(yīng)的CVI C含量隨之增大，導(dǎo)致材料內(nèi)部富碳，游離碳的存在也不利于材料的導(dǎo)熱性能，因而隨著素坯密度的增大，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率降低。雖然裂紋隨著SiC及Si含量的降低而減少，但此時已不占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖7為不同素坯密度對應(yīng)GSI制備的C/C-SiC復(fù)合材料在室溫至1300℃的平均熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)，可以看出，隨著素坯密度增大，平均熱膨脹系數(shù)先下降隨后趨于穩(wěn)定。當(dāng)素坯密度為0.822g/cm3時，復(fù)合材料平均熱膨脹系數(shù)最大，為4.99×10-6K-1。由復(fù)合材料各相體積分?jǐn)?shù)可知，隨著素坯密度增大，C/C-SiC復(fù)合材料中C含量增高，素坯中C主要為Cf和CVI C，其結(jié)晶性好，呈現(xiàn)出低膨脹甚至負(fù)膨脹特性，故隨著復(fù)合材料含C量的增高，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)會降低。當(dāng)素坯密度為0.822g/cm3時，復(fù)合材料中C含量為18%，說明不僅CVI C被充分反應(yīng)，還有一定碳纖維被反應(yīng)，降低了復(fù)合材料低膨脹性能，同時復(fù)合材料中SiC以及殘余Si含量均較高，所以復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)較高。

圖7　不同素坯密度制備C/C-SiC復(fù)合材料 平均熱膨脹系數(shù)(30～1300℃)Fig.7　Average CTE of C/C-SiC composites with different C/C preform densities(30-1300℃)

綜上可知，GSI制備的 C/C-SiC復(fù)合材料的熱學(xué)性能與材料的孔隙率和含碳量有緊密聯(lián)系。隨著素坯密度的提高，由于復(fù)合材料中孔隙率的增大，以及不利于傳熱的殘余碳增多，導(dǎo)致材料的熱導(dǎo)率隨之降低；同時由于低熱膨脹性的殘余碳增多，以及殘余Si和SiC的減少，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨之降低。

3　結(jié)論

(1)隨著素坯密度的增大，素坯的開孔率隨之減小，而纖維外包裹的CVI C厚度隨之增加，由幾百納米增至幾微米。

(2)隨著素坯密度的增大，GSI 制備C/C-SiC復(fù)合材料中含碳量隨之增加，殘余Si含量隨之減少，SiC含量先保持一較高值，當(dāng)素坯密度大于1.085g/cm3時迅速減少，閉孔率隨之增大。由于復(fù)合材料各相組成以及顯微結(jié)構(gòu)的變化，隨著素坯密度的提高，復(fù)合材料的力學(xué)性能隨之先提高后降低，彎曲強(qiáng)度、彎曲模量以及斷裂韌度最高可達(dá)308.31MPa，31.71GPa和11.36MPa·m1/2。

(3)GSI制備過程中，素坯孔隙率較高時，氣態(tài)硅易滲入，反應(yīng)充分，但會對纖維造成一定程度損傷，同時殘余硅含量升高，降低復(fù)合材料的力學(xué)性能；素坯孔隙率過低，反應(yīng)時由于體積膨脹，滲硅通道易阻塞，導(dǎo)致SiC含量較低，且閉孔率較大，使得材料力學(xué)性能以及熱學(xué)性能降低。通過上述研究可以得出對于纖維體積分?jǐn)?shù)為30%的三維針刺氈，經(jīng)CVI沉積致密C/C素坯密度為1.085g/cm3左右時，GSI制備的復(fù)合材料力學(xué)性能最好。

(4)對于GSI 制備的C/C-SiC復(fù)合材料的熱學(xué)性能，由于殘C量以及孔隙率的不同，隨著素坯密度的提高， C/C-SiC的熱導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)均隨之降低至趨于平穩(wěn)。

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Effects of Preform Density on Structure and Property of C/C-SiC Composites Fabricated by Gaseous Silicon Infiltration

CAO Yu,LIU Rong-jun,CAO Ying-bin,LONG Xian-hai,YAN Chun-lei,ZHANG Chang-rui

(College of Aerospace and Materials Engineering, National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

The 3-D needled C/C preforms with different densities deposited by chemical vapor infiltration (CVI) method were used to fabricate C/C-SiC composites by gaseous silicon infiltration (GSI). The porosity and CVI C thickness of the preforms were studied, and the effects of preform density on the mechanical and thermal properties of C/C-SiC composites were analyzed. The results show that with the increase of preform density, the preform porosity decreases and the CVI C thickness increases from several hundred nanometers to several microns. For the C/C-SiC composites, as the preform density increases, the residual C content increases while the density and residual Si content decreases. The SiC content first keeps at a high level of about 40% (volume fraction), which then quickly reduces. Meanwhile, the mechanical properties increase to the highest values when the preform density is 1.085g/cm3, with the flexure strength up to 308.31MP and fracture toughness up to 11.36MPa·m1/2, which then decrease as the preform density further increases. The thermal conductivity and CTE of the composites, however, decrease with the increase of preform density. It is found that when the preform porosity is too high, sufficient infiltration channels lead to more residual Si, and thinner CVI C thickness results in the severe corrosion of the reinforcing fibers by Si and lower mechanical properties. When the preform porosity is relatively low, the contents of Si and SiC quickly reduce since the infiltration channels are rapidly blocked, resulting in the formation of large closed pores and not high mechanical properties.

C/C preform; GSI; C/C-SiC composite; CVI C; mechanical property

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.07.004

TB332

A

1001-4381(2016)07-0019-07

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研計劃資助項目(JC14-01-04)

2014-05-27；

2016-03-30

劉榮軍(1978-)，男，博士，副研究員，主要從事陶瓷基復(fù)合材料研究，聯(lián)系地址：湖南省長沙市開福區(qū)德雅路109號國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料重點實驗室(410073)，E-mail:rongjunliu@nudt.edu.cn