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1、Cc-/SiC材料制备及其力学性能的研究,中南大学粉末冶金研究院 材料化学0902班 研究人员： 戚铭仁 范超 孙凯 王子峰,梢僵畦疫虫咙氰群韩望硷赎陌齐顶存裔睦狰遂漆世乐瓶今沾淹侦艺婆法磨新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001,Introduce (1),在过去的十年里,低维半导体纳米材料由于具有特殊的物理和化学性质以及在纳米光、电、磁器件中的潜在应用,引起了研究者极大的兴趣。在众多的半导体材料中,宽带隙碳化硅(SiC)半导体材料还因其力学性能优异、热导率高、化学惰性强等优点尤其受到
2、研究者的关注。SiC纳米材料,除保留其体材料的本征性质外,还由于纳米尺寸效应,晶体结构多型性,缺陷的特殊组态以及特定的形貌在力学、电学性能和光学性能等方面展现出更多特异性,成为现在和未来高温、高辐射等恶劣环境下工作的纳米器件的理想材料。,摄呆够嚼历儡房菌欠陆歹优武屡炯韧焚算箩肠内萧步仍汾消却真绣狄喧汁新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001,Introduce (2),Cc-SiC作为一种陶瓷基复合材料，综合了纤维增强体优越的力学性能和陶瓷良好的化学和热稳定性，具有低密度、抗热震、抗氧化
3、：耐磨损，以及优异高温力学性能和稳定摩擦系数等优点，目前已被广泛应用于航空航天等领域。同时它也是一种理想的高性能发动机材料和轻型装甲材料，因此研究其制备和力学性能是很有必要的。,进伦冗闽蹬舷储剿傣风密妖竖渝耪怪赊努绚昭呆卸朗呻酷丽未射惩赃伍矩新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001,Research status and development trend 国内外研究现状和发展动态：,目前，国内外对Cc-Sic制动材料的报道主要集中在制备方法、摩擦磨损性能及其应用，本文作者采用自主研发的
4、温压一原位反应法制备Cc-Sic制动材料，并对材料的压缩性能及破坏机理进行探讨，以其为制备高性能Cc-Sic制动材料奠定应用基础，同时对其制备工艺的优化具有重要的参考价值。 Cc-Sic材料的制备一般包括Cc的预制和SiC相的加入两个步骤。目前化学气相沉积法(CVI)和有机物渗入裂解法是制备Cc材料的主要方法。目前还诞生了一种简单的方法化学液相气化渗入法,档宜么颧纵哨汹拼吉津道惺鳖蹦垂瘟亩炒潜汲陈乍脾油糟竭料另咳赁抖帚新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001,Project of con
5、tents: 项目研究内容：,本实验主要研究Cc-Sic材料的制备，并对其力学性能进行相关研究和测试。以短炭纤维、炭粉、si粉、树脂和粘结剂为原料，采用温压一原位反应法(wcISR)制各Cc-Sic制动材料，研究该材料的压缩性能及其破坏机理。,占池怕犬檄详犁摇罩缕冤裕匣斜芜瘪赖祷占照吵揖踢垒迫特卧巷喀懈攀楷新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001,Cc-Sic material preparation Cc-Sic材料的制备过程,1原料： 预制体分别为：PAN基碳毡，厚度为10 mm，纤
6、维直径在10肛m15肛m之间，纤维体积分数约20；PAN基二维碳纤维，纤维平均直径为6 pm，由成450角的纤维束在平面内叠加而成，厚度为20 mm，纤维体积分数约60。前驱体采用工业煤油，为c。碳氢化合物的混合物。硅选用粒度在05 mm5 mm之间的工业硅粉，纯度为988。 2材料制备： 首先将碳毡和二维碳纤维裁剪成一定尺寸的圆筒形状，在120烘干2 h3 h，然后分别将其固定于柱形石墨发热体周围，并放入注满煤油的反应器中进行CLVI。CLVI过程中采用N2作为保护气体，反应温度范围为9001100，累计反应时间为3 h。制备的Cc材料分别编号为CF(以碳毡为预制体)和C2D(以二维碳纤维为
7、预制体)。随后分别将CF和C2D切割成长条状试样进行RMI。试样放入底部铺有一定量硅粉的石墨坩埚中，在石墨电阻炉中以10。Cmin的速度加热至1550并保温05 h，然后随炉冷却。过程在真空气氛下进行，真空度为110Pa。制备的Cc-Sic材料相应标记为SF和S2D。,厨坎茸曹甚煎肛棘野衫帐仇辆域冕稗戌戈坏秉僵竹功褥吴磕笑忿延渭舜爹新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001,CLVI(chemicalliquidvaporized infiltration)，以液体烃为前驱体，将预制体浸入
8、其中，大大缩短了反应过程中前驱体的扩散路径；通过内部感应加热方式，在预制体中快速形成较大的温度梯度，使前驱体首先在其内层气化、裂解，形成沉积碳，并逐步向外层沉积，克服了预制体表层“瓶颈”现象，从而实现Cc材料的快速制备68。基于Cc制备Cc-Sic的方法中，熔融渗硅反应法RMI(reactive melt infiltration)具有制备成本低、周期短、净尺寸成型以及完全致密等优点，它通过高温(1410。C)熔融硅在毛细作用力下渗入Cc材料孔隙中，并与碳反应形成SiC。,愚胀居艳崔醉枚饶栓措驾焰浦真络寒闸自诞恋彦函部囤漳勤陈煞胁造泉访新建MicrosoftOfficePowerPoint演示
9、文稿000001新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001,Cc-/SiC Mechanical Properties Cc-/SiC力学性能的研究,实验过程： 用阿基米德排水法进行材料致密度的测量。 用三点弯曲法测量Cc-Sic材料的弯曲强度，试样尺寸为30 minx40 mmx40 mm，跨距为30 mm，加载速率05 ramrain。每种材料测量4个试样。试样的断口形貌通过扫描电子显微镜(SEM，JSM6360)进行观察。 用SEM对3种丙烯含量下制备碳层的表面微观形貌进行观测。 采用拉曼(Raman)显微系统获得纤维表面C层的Raman光谱，分析其显微结
10、构。,筐酝海乖甚兆酷史烤些掇沧挎矽管孺鹏蔚棱决单植昆旬倪兰哗稿侠逞航饥新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001,讨论： 经过相同的基体沉积过程后，Cc-Sic材料的致密度均达到25gCm。可见，沉积界面层时丙烯含量的变化对复合材料的强度影响不大。3种材料强度的最大值(320 MPa)和最小值(303 MPa)只相差53。然而，没有热解碳界面层的Cc-Sic材料强度只有145 MPa。说明什么？,怀毙运锈瞩知蓑犊盂林缚了胜哩瑞娠旺拥傲恭雁狡惮兵惰绍益宵呜洋扮倡新建MicrosoftOffi
11、cePowerPoint演示文稿000001新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001,参考解释：,3种热解碳的沉积均能有效提高材料的弯曲强度。热解碳界面层的存在，一方面避免了过强的界面结合，通过纤维脱粘阻止了裂纹的迅速扩展；另一方面，保护纤维使其免受基体制备过程对表面的损伤，使纤维保留高强度。因此，碳界面层的沉积能有效提高材料的弯曲强度。 纤维和基体间的界面层是影响连续纤维增韧陶瓷复合材料力学性能，特别是断裂行为的主要因素。3种材料的基体制备工艺、致密度以及纤维体积分数均相同，因此，其断裂行为的差异必然来自于碳界面层 的差异可见，丙烯含量不同时制备的碳层形貌有
12、很大差别。丙烯含量为60时(材料A)，碳层表面光滑：为50和45时(材料B和C)，表面粗糙，有很多平均直径为12 pm的大沉积颗粒存在。纤维拔出对增韧的贡献取决于纤维拔出过程中克服滑移阻力所做的功。若滑移阻力太大，纤维拔出短，增韧效果差，甚至为脆性断裂；若滑移阻力太小，虽纤维拔出长，但克服滑移阻力所做的功并不大，增韧效果也差。从纤维拔出长度、应力一位移曲线以及断裂功的数值可以得出，材料A的纤维拔出阻力适中，而材料B和C的则过大，纤维拔出短，增韧效果差。,含炬柱荚柯萄抓荚淄责浮帧而虑牧豹鹊耽尉侄哩寡盎走换右迅臃读钎闽饱新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001新建
13、MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001,Conclusion： 结论：,1)以丙烯为碳源，氮气为稀释气，用LPCVD法制备了Cc-SiC复合材料的热解碳界面层。丙烯含量的变化改变了碳层形貌和微观结构，从而影响复合材料的力学性能。 2)当丙烯含量为60时，碳层表面光滑，石磨化度高，纤维拔出阻力适中，复合材料韧性断裂，断裂功大；丙烯含量为50和45时，碳层粗糙，石磨化度低，纤维拔出阻力过大，拔出长度短，复合材料脆性断裂，断裂功小。 3）Cc-SiC材料温压成形过程中，树脂软化混合原料表现出一定的流变性，使得纤维择优排布，优先分布在垂直于压力方向(即试样横向)的平面内；而在平行压力方向(即试样纵向)的平面内则分布较小。,架予约厢培拉嗡最臻刀卵郝减仪枉陀渤放康晓贸庄议勉俱淬响请坑痢聊舟新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001,谢 谢,镇持嘿娩篆秃浓脑蜡并肖胃绕梆详偏鼓过琐羚鼓洼步杭濒腔进硝达竹擒粘新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001新建MicrosoftOfficePowerPoint演示文稿000001,