氣相滲硅工藝制備KD21 SiCf/SiC復(fù)合材料及其性能研究

王洪磊,周新貴,于海蛟,趙 爽,羅 征

(國防科技大學(xué)新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料國防科技重點(diǎn)實驗室,長沙410073)

氣相滲硅工藝制備KD21 SiCf/SiC復(fù)合材料及其性能研究

王洪磊,周新貴,于海蛟,趙 爽,羅 征

(國防科技大學(xué)新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料國防科技重點(diǎn)實驗室,長沙410073)

以國產(chǎn)KD21型SiC纖維為增強(qiáng)體,采用化學(xué)氣相沉積和酚醛樹脂浸漬裂解獲得兩種碳源的多孔SiCf/C,通過氣相滲硅工藝制備了KD21 SiCf/SiC復(fù)合材料,對復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:不同碳源的多孔SiCf/C,經(jīng)過氣相滲硅得到SiCf/SiC復(fù)合材料的斷裂韌性相差較大,分別為12.9,2.0M Pa·m1/2。而對于酚醛樹脂浸漬裂解制備的高孔隙率SiCf/C中間體,經(jīng)過氣相滲硅得到SiCf/SiC復(fù)合材料的密度及力學(xué)性能明顯高于由低孔隙率SiCf/C得到的SiCf/SiC復(fù)合材料。

SiCf/SiC;氣相滲硅;化學(xué)氣相沉積

碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料(SiCf/SiC)具有耐高溫、高強(qiáng)度、低活化、抗輻照、耐腐蝕、抗氧化和抗熱沖擊等優(yōu)異性能,是航空、航天領(lǐng)域較理想的高溫結(jié)構(gòu)材料,同時也是極具潛力的聚變堆結(jié)構(gòu)及功能材料[1-3]。

SiCf/SiC復(fù)合材料制備工藝的完善和發(fā)展是提高復(fù)合材料性能的關(guān)鍵。當(dāng)前,SiCf/SiC復(fù)合材料的制備方法主要有先驅(qū)體浸漬裂解工藝(PIP)[4]、化學(xué)氣相滲透工藝(CV I)[5-7]、反應(yīng)燒結(jié)工藝(RS)等[8-10]。PIP和CV I工藝是較成熟的SiCf/SiC復(fù)合材料制備工藝,但兩者均存在材料孔隙率較高(15%～20%)、制備周期長、成本高等缺點(diǎn),影響了其廣泛應(yīng)用。而RS工藝具有材料致密度高、制備周期短和成本低等優(yōu)點(diǎn),易于制備高密封性構(gòu)件。現(xiàn)有的RS工藝可分為液相滲硅(LSI)和氣相滲硅(VSI)兩種,氣相滲硅可克服液相滲硅過程中孔道堵塞造成的缺陷,從而提高材料性能[11]。

SiC纖維是決定SiCf/SiC復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素之一。目前SiC纖維的制備工藝主要有:聚合物先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、活性炭纖維轉(zhuǎn)化法、CVD法和超微粉體擠壓法,這幾種工藝制備的纖維性能差別較大,其中聚合物先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備的SiC纖維,由于氧含量的不同導(dǎo)致耐高溫性能不同[12]。本工作首次采用國產(chǎn)KD21型SiC纖維3D編制件,利用化學(xué)氣相沉積和酚醛樹脂浸漬裂解工藝制備多孔SiCf/C,通過氣相滲硅工藝制備SiCf/SiC復(fù)合材料,研究多孔SiCf/C的碳源和孔隙率對SiCf/SiC復(fù)合材料性能的影響。

1 實驗

首先以KD21型SiC纖維為增強(qiáng)材料制備3D編織件,其纖維體積分?jǐn)?shù)約為35%;其次分別采用兩種滲碳工藝制備多孔SiCf/C,一種以丙烯為原料,950℃下通過化學(xué)氣相沉積工藝獲得多孔SiCf/C,另一種以酚醛樹脂為原料,通過真空浸漬,1200℃下裂解得到多孔SiCf/C;最后將該SiCf/C通過1550℃氣相滲硅1h制備SiCf/SiC復(fù)合材料。為比較不同滲碳工藝對SiCf/SiC復(fù)合材料性能的影響,本工作采用兩種滲碳工藝制備出孔隙率接近的多孔SiCf/C;同時研究了酚醛樹脂浸漬裂解得到的不同孔隙率SiCf/C對SiCf/ SiC復(fù)合材料的影響。

采用阿基米德排水法測定材料的密度及孔隙率。采用WDW2100系列電子萬能試驗機(jī),利用三點(diǎn)彎曲方法測定試樣的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性,其尺寸分別為60mm×5mm×3.5mm和40mm×7mm×3.5mm,跨距分別是50mm和30mm,加載速率分別為0.5, 0105mm·min-1。采用JSM25600LV掃描電鏡(SEM)觀察試樣斷口。

2 結(jié)果分析和討論

通過化學(xué)氣相沉積工藝和酚醛樹脂浸漬裂解工藝,控制沉積時間和浸漬裂解周期制備了孔隙率約為20%的SiCf/C,同時減少浸漬裂解周期得到了孔隙率約為35%的SiCf/C。利用三種SiCf/C制備的SiCf/ SiC復(fù)合材料樣品編號分別為C21,C22,C23。其性能如表1所示。

表1 氣相滲硅工藝制備SiCf/SiC復(fù)合材料的性能Table 1 Propertiesof SiCf/SiC composites ________________fabricated by VSIp rocess

從表1可以看出,C21和C22的密度、孔隙率及彎曲強(qiáng)度相差較小,但C21的斷裂韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C22。同時C23的孔隙率幾乎接近零,且密度和彎曲強(qiáng)度均高于C22,但兩者斷裂韌性卻相差不大。由SiCf/C孔隙率均為20%的C21和C22的性能可以看出,在氣相滲硅過程中,不同碳源對反應(yīng)生成SiCf/SiC復(fù)合材料的影響較大。同時從相同碳源而SiCf/C孔隙率不同的C22和C23的性能可以看出,在氣相滲硅過程中,高孔隙率的SiCf/C易生成完全致密的SiCf/SiC復(fù)合材料。且由于C23的致密度高于C21,C22,導(dǎo)致C23的抗彎強(qiáng)度均高于C21,C22。

圖1是SiCf/SiC復(fù)合材料的載荷2位移曲線,從圖中可以看出,C21的斷裂模式為典型的韌性斷裂,而C2 2和C23為典型的脆性斷裂。

圖1 氣相滲硅工藝制備SiCf/SiC復(fù)合材料的載荷2位移曲線Fig.1 Load2disp lacement curve of SiCf/SiC composites fabricated by VSIp rocess

圖2是氣相滲硅制備SiCf/SiC復(fù)合材料的斷口形貌,從圖中可以看出C21材料的斷口較為粗糙,纖維拔出現(xiàn)象明顯。表明纖維與基體間形成了較為合適的界面結(jié)合,從而在材料承載時產(chǎn)生纖維脫粘、拔出等現(xiàn)象,因此,材料在達(dá)到最大載荷后仍然能夠保持一定的承載能力,不會產(chǎn)生災(zāi)難性破壞。這與C21材料載荷2位移曲線的結(jié)果相一致。而C22和C23材料的斷口較為平整,纖維與基體在同一高度。說明纖維與基體界面結(jié)合較強(qiáng),不易產(chǎn)生纖維脫粘、裂紋偏轉(zhuǎn)增韌效果,導(dǎo)致C22和C23材料發(fā)生脆性斷裂,這與C22和C23材料的載荷2位移曲線相吻合。由上可知,在氣相滲硅過程中,化學(xué)氣相沉積碳較樹脂裂解碳更易生成界面結(jié)合適中的SiCf/SiC復(fù)合材料,使其斷裂韌性顯著提高。

同時從圖2(b),(c)中可以看出,材料C22含有較多孔隙,而材料C23則完全致密。說明高孔隙率的SiCf/C經(jīng)過氣相滲硅反應(yīng)后更易致密化,而對于低孔隙率的SiCf/C,由于中間體本身存在較多閉孔,導(dǎo)致在氣相滲硅反應(yīng)中,硅蒸氣較難滲入,使?jié)B硅后的SiCf/SiC復(fù)合材料存在殘余閉孔,導(dǎo)致材料致密度較低,同時使其力學(xué)性能降低。

圖2 氣相滲硅工藝制備SiCf/SiC復(fù)合材料的斷口形貌 (a)樣品C21;(b)樣品C22;(c)樣品C23Fig.2 Fracture surface of SiCf/SiC composites fabricated by VSIp rocess (a)samp le C21;(b)sample C22;(c)sample C23

圖3是氣相滲硅工藝制備SiCf/SiC復(fù)合材料的顯微形貌,從圖中可以看出C21材料中SiC纖維表面光滑,纖維形狀保持良好,而C22材料中纖維表面十分粗糙,尤其是C23材料中幾乎看不到纖維的形狀,說明通過酚醛樹脂裂解制備的SiCf/C經(jīng)過氣相滲硅后,由于酚醛樹脂裂解的碳源較疏松,SiC纖維易受到硅蒸氣侵蝕,導(dǎo)致纖維受損,從而使纖維強(qiáng)度降低,同時被侵蝕后的纖維與基體結(jié)合較強(qiáng),導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展過程中界面脫粘、裂紋偏轉(zhuǎn)等作用顯著減弱,使其斷裂韌性降低。而通過化學(xué)氣相沉積工藝制備的SiCf/C中經(jīng)過氣相滲硅后,由于沉積碳較致密,硅蒸氣不易侵蝕纖維,對纖維起到涂層保護(hù)作用,導(dǎo)致纖維與基體結(jié)合強(qiáng)度適中,斷裂過程中纖維脫粘、拔出等作用明顯,SiCf/ SiC復(fù)合材料斷裂韌性較高。

圖3 氣相滲硅工藝制備SiCf/SiC復(fù)合材料的SEM照片 (a)樣品C21;(b)樣品C22;(c)樣品C23Fig.3 SEM photographs of SiCf/SiC composites fabricated by VSIp rocess (a)sample C21;(b)sample C22;(c)sample C23

3 結(jié)論

(1)首次利用KD21 SiC纖維,采用氣相滲硅工藝成功制備出幾乎完全致密、斷裂韌性為12.9M Pa· m1/2的KD21 SiCf/SiC復(fù)合材料。

(2)不同碳源的多孔SiCf/C對SiCf/SiC復(fù)合材料性能影響較大。通過化學(xué)氣相沉積得到的SiCf/C經(jīng)過氣相滲硅后,SiC纖維形狀保持完好,纖維與基體界面結(jié)合強(qiáng)度適中,SiCf/SiC復(fù)合材料的斷裂韌性明顯高于通過酚醛樹脂浸漬裂解得到的SiCf/C中間體。

(3)通過酚醛樹脂浸漬裂解得到的不同孔隙率SiCf/C,高孔隙率的中間體更易通過氣相滲硅工藝獲得高致密度的SiCf/SiC復(fù)合材料。

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Study on the Properties of SiCf/SiC Composites Fabricated by Vapo r Silicon Infiltration

WANG Hong2lei,ZHOU Xin2gui,YU Hai2jiao,ZHAO Shuang,LUO Zheng
(Key Laboratory of Novel Ceramic Fiber and Composites Materials,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

Two different carbon2base SiCf/C were p repared by chemical vapor deposit and resin poly2 mer imp regnation and pyrolysis,then the KD21 SiCf/SiC composites w ere fabricated by vapo r silicon infiltration using homebred KD21 SiCfas reinforcement,and the microstructure and mechanical p rop2 erties of SiCf/SiC compositesw ere investigated.The results show that the fracture toughnessof SiCf/ SiC composites fabricated though different carbon2base SiCf/C are very different,the values are 1219M Pa·m1/2and 2.0M Pa·m1/2respectively.The density and mechanical p roperties of SiCf/SiC composites fabricated though SiCf/C of higher porosity were better than the SiCf/C of lower porosity, w hich were p repared by Phenolic resin polymer imp regnation and pyrolysis.

SiCf/SiC;vapor silicon infiltration;chemical vapor deposit

TB332

A

100124381(2010)1120005203

新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃(NCET20720228)

2010203216;

2010207225

王洪磊(1983—),男,博士研究生,從事陶瓷基復(fù)合材料方面研究工作,聯(lián)系地址:湖南長沙國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院國防科技重點(diǎn)實驗室(410073),E2mail:honglei.wang@163.com