短碳纤维增韧石英复合材料性能研究.pdf

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1、短碳纤维增韧石英复合材料性能研究*曹 俊 李建保 杨晓战 胡晓清 张大海2 黎 义，2 (1 清华大学材料系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京 1 0 0 0 8 4)(2 先进功能复合材料技术国防科技重点实验室，北京1 0 0 0 7 6)文摘以短碳纤维为初始原料，采 用溶胶一 凝胶技 术引入 S i 0 2 组分，在一定 的热压烧 结制度下得到 致密 C f S i O 2 复合材料；研究了其烧结条件、力学性能、线膨胀及烧蚀性能。实验表明，基体保持非晶态，可达 到 9 9 的致密度；随碳纤维含量的增加，弯曲强度(f)无显著变化，断裂韧性(K1 c)先升后 降；线膨胀 系数 随 碳纤维含

2、量增加而增加，该材料具有良好的抗热震及耐烧蚀性能。关键词石英，碳纤维，复合材料，力学性能，耐烧蚀 A S t u d y o n P r o p e r t i e s o f S h o rt Ca r b o n F i b e r Re i n f o r c e d S i l i c a Gl a s s Ma t r i x C o mp o s i t e C a o J u n L i J i a n b a o Ya n g X i a o z h a n Hu X i a o q i n g I Z h n g D a h a i 2 L i Yi 2 (1 T h e S

3、 t a t e K e y L a b o f N e w C r a n l i c 8 a n d F in e P I o c e s s i I l g，T s i n g h u a U n i v e r s i t y，i j m g 1 0 0 0 8 4)(2 K ey L a b of A d v a n c e d F u n c t i o n a l C o m p o s i t e M a t e r i a l s，ij mg 1 0 0 0 7 6)A i l s t r a a S h o r t c a r b o n f fl e r r e i n

4、f o r c e d s i l i c a妇m a t r i x c o m p o s i t e s a r e m a n u f a c u n d e r c e r t a i n p a r t i c u l a r h o t p r e s s e d c o n d i ti o n s wi t l I s o l-g e l s i l i ca a n d s h o rt c a r b o n fi b e r s a s r a w ma t e r i a l s 1 1 l e s i n t e r i n g con dit i o ns me

5、c h a n i c a l p r o p e r t i es 1 i n e a r e x p a n s i o n and a b l a ti o n p rop e r t i es a r e s t u die d1 1 l e ma t r i x r e ma i n s a mo r p h o u s and f u l l d e n s e W i t h i n c re m e n t o f c a r b o n f fl e r con t e n t，fl e x u r a l s t r e n g t h(tT f)i s h a r d l

6、 y c l 瑚g e d，w h i l e f r a c t u r e t o u s t m e (K1 c)i s u p and th e n d rop p d o w nI t i 8 d e mo nst r a t ed t h a t the c o mp o s i t e h a s e x c e l l e n t the r ma l s h o c k and ablati o n r e s i s t a n c e an d c o e ff i c i e n t o f l i n e a r e x p a n s i o n i 8 i n c

7、 r e a s e d w i th the a d d i n g o f c a r b o n f fl e r Ke y wo r d s S i l i ca，C a r b o n f fl e r，C o mp o s i t e，Me c h a n i c a l，Ab lati o n r e s i s t a n ce 1引言 石英玻璃(S i 0 2)材料具有 良好 的耐烧蚀性 能，通过与纤维、晶须等复合改善其韧性，可以在航 天器 抗烧蚀端头、翼前缘等部件获得应用 1。碳纤维与石英具有较好 的化学相容性和物理 匹 配性，碳纤维增韧石英基复合材料，有效改善了基体 脆性

8、，是一类成功 的耐烧蚀 材料。如连续 碳纤维单 向补强石英复合材料的拉伸强度达到 6 0 0 M P a，断 裂韧性是石英玻璃 的 1 2倍，断裂功则较石英玻璃高 2 3个数量级L 2 J2。但是 由于连续纤维工艺复杂，限 制其广泛的应用，继而有人使用短碳纤维 或 S i C 晶须l 6 作 为增 强体，取得 了较好 的效果。本文采用 溶胶一凝胶技术，配合热压工艺，得到短碳纤维增韧 石英复合材料，并对 其烧结条件、力学 性能、线膨胀 及烧蚀性能进行 了研究。2 实验 收稿 日期-2 0 0 30 62 0 *国家 自 然科学基金资助：5 9 9 7 2 0 1 4、5 9 4 2 5 0 0

9、7 曹俊，1 976 年出生，硕士研究生，主要从事陶瓷基复合材料、纤维增韧复合材料的研究工作 宇航材料工艺2 O O 3 年第 6期-4 3-维普资讯 http:/ 实验采用溶胶一凝胶技术引入 s 。碳纤维直 径 7a n，初始长度约 5 m i l l，球磨切短后长度 1 0 t a m 4 0 ta n。碳纤维均匀分散在硅溶胶后，烘干研细，在 石墨发热体的热压炉中烧结，于 1 4 0 0 C 保温 ra i n，热压压强 2 0 M P a。x衍射测定石英基体的晶体含量，光学显微镜(O l y m p u s B X 一5 0)测 定 碳 纤 维 分 布，F E s E M(J s M 6

10、 3 0 1 F)显示断 口形貌。用阿基米德排水法测定密度；采用三点弯曲法，在综合力学测试仪 S H I M A D Z U(A G _2 0 o A)上测量 弯曲强度(3 n R l l 4 m il l 3 0 l m)、断裂韧性(4 IT ln l 6 n l l n 2 4 n l l n，切 口深度 2 5 m m)o 3 结果与讨论 3 1 烧结制度 据文献 2 报道，C S i O 2 在 1 2 8 0 C 热压烧结 3 0 m i n，石英玻璃开始局部析晶，主晶相为 a 一 方石英，热压烧结温度提高，开始大量析 晶石英。韩欢庆 等 3 添加 5(质量分数)析晶抑制剂，1 4

11、0 0 C 烧结 3 0 m i n仍未析 晶，1 4 5 0 o C时，析 晶明显。实验发现，气氛对石英析晶有着显著 的影响。分别在 C O N 2 气氛与空气气氛 中，1 3 5 0 C、1 4 0 0 o C、1 4 5 0 C 保温 3 0 m in，采用溶胶一凝胶法制备 s 凝 胶，(x射线衍射分析)观察产物，如图 1 所示。由图 1可 以看 出，在空气气 氛 中，1 3 5 0 C 左 右 已有 析晶倾 向，而在 C O N 2 气氛 中，1 4 5 0 o C才开始析 晶，说 明还原惰性气氛 可以有效地抑制硅凝胶 的析 晶。同时，由于本实验采用溶胶一凝胶技术，显著地提高 了石英的

12、析晶温度。实验表明，石英基体在 C O N 2 气氛中，1 4 0 0 C 保温 3 0 mi n可 以保持非晶态。口一方石英 1 0 2 0 3 0 2 (。)(a)C O N 2 口一方石英 一 l 0 2 0 3 0 4 0 2 (。)(b)空气 图 1 不 同气氛下石 英析 晶程 度 比较 F i g 1 C r y s t a l l i T-*fi o n c o mp a ris o n o f s i l i c a h e a t i n g a t d i ff e r e n t a t mo s p h e r e s 当烧结温度低于 1 4 0 0 ：时，样品难以致密

13、化。1 3 5 0 烧结 的样 品，致密度仅为 8 o，力学性能极 差。本实验 的样品均在 C O N 2 气氛 中，1 4 0 0 C 保温 3 0 mi n、2 0 MP a 热压下烧结致密。3 2 力学性能 实验表明，加入碳纤维有效地提高了石英基体 的韧性，但是对其弯曲强度没有显著影响。制备碳纤维体积分数分别为 1 0、2 0、2 5、3 0、3 5、4 0 的 C f S 复合材料，使所有样 品在 相似的烧结制度下达到致密化。由于致密度对力学 性能有较大的影响，实验 中尽量保证高 的样 品致密 度。各样品密度测量结果见表 1。表 1 样品理论密度与实际密度比较 T a b 1 0咖叩哪

14、 o ft h e o r e t i c a l mi d m阴 酬I d fl e m i t i g s f o r t h e 翻虹单-e s 图2 所示为纯 s 和不 同碳纤维体积分数的 c d s i o 2 复合材料试样 的弯曲强度与断裂韧性。由 实验可知，C d S i O 2 复合 材料 的弯 曲强度(9 0 MP a左 右)，相比纯石英玻璃的弯曲强度(8 8 M P a)，并没有 宇航材料工艺2 0 0 3年第 6期 维普资讯 http:/ 显著的变化。而复合材料的断裂韧性，随着碳纤维 的增加，先升后降，在碳纤维体积分数为 3 0 时达 到极大值，其断裂韧性为 1 7 0

15、M P a m ，比纯石英 玻璃提高 4 倍。与韩欢庆 J 等人的结论相 比，极大 值对应 的碳纤维含量增加 1 倍，相应 的力学性能也 有提高。图 2 纯 S i 0 2 与不 同碳 纤维含量 的 C f S i O 2 复合材料力学性能 F i g 2 M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f p u r e s i l i c a a n d q S O z c o mp o s i t e w i t h d i ff e r e n t C f c o n t e n t s 采用溶胶凝胶技术，对提高复合材料力学性 能有积极的影响。碳纤维

16、在 s 基体均匀分散，并 且烧结粉体中s io 2 颗粒包覆碳纤维，改善了 C f S iO 2 界面结合。图 3 为复合材料断口的 S E M形貌。由 于 C f S i o 2 有很好的化学相容性和物理匹配性，界面 结合力适当，断裂时有明显的纤维拔出，这种纤维拔 出以及裂纹偏转机制，是 C f S iO 2 复合材料的主要增 韧机理。这与贾德昌L 4 J 等人的研究有类似的结论。图 3 复合材料断口的 S E M形貌 F i g 3 S E M p h o t o o f c r 0 s 8 s e c t i o n 3 3 线膨胀及耐烧蚀性能 实验所用的石英基体为高纯石英，没有明显析

17、宇航材料工艺2 0 O 3年第 6 期 晶，由此得到的 C f S iO 2 复合材料，不仅有相对低的 线膨胀系数和抗热震性，更具有极好的耐烧蚀性能。图4所示为实验制备的纯 s io 2 及碳纤维含量 为 2 0、2 5、3 0 的 C f S i O 2 复合材料 的线膨胀 系 数与温度的关系。图 4 纯石英及 C f S i O 2 复合材料线膨胀系数与温度关系 F i g 4 R e l a t i o n b e t w e e n c o e ff i c i e n t o fl i n e a r e x p a n s i o n a n d t e m p e r a t u

18、 r e f o r p u r e s i l i c a a n d q S O z c o m p o s i t e 从 图 4可 以看 出，随碳纤 维含 量增加，C f S i o 2 的平均线膨胀系数上升。纯石英的线膨胀系数在 0 5 61 0 K一，而在碳纤维含量 为 3 o 时，已达到 1 2 1 0 K一 1 o为保证复合材料的抗热震性，有必 要尽可能降低材料的线膨胀系数。耐烧蚀实验表 明，该体系复合材料具有良好的抗热震性，其中碳纤 维含量为 2 5 的 C 4 S i O 2 耐烧蚀实验数据如下。试验时间为 1 2 s；小 发动机 的平均 线烧蚀速率 为 0 0 9 8 r

19、a m s；耐烧 蚀所用样 品尺寸为 6 0 I T L r n 4 0 rai n2 0 rai no 4 结论(1)石英基体在 C O N 2 气氛中，1 4 0 0 C 保温 3 o m i n 仍能保持非晶态，同时热压 2 0 M P a，可使 C f S i O 2 致密度达到 9 9 以上。(2)c f s io 2 复合材料的弯曲强度，相比纯石英 玻璃，没有显著的变化，在 9 0 M P a 左右。而其断裂 韧性，随着碳纤维含量的增加，先升后降，在碳纤维 体积分数为 3 o 时达到极大值，其断裂韧性数值为 1 7 0 M P a m ，比纯石英玻璃提高 4 倍。增韧机理 为纤维拔

20、 出及裂纹偏转。(3)随碳纤 维含量 增加，C f S i O 2的平均线 膨胀 系数上升。耐烧蚀实验表明研制出的材料具有良好 的抗热震性能及耐烧蚀性能。皋。犀i 睦 色L L L L L 维普资讯 http:/ 参考文献 1 张大海，黎义，高文等 高温天线罩材料研究进展 宇 航材料工艺，2 0 0 1；3 1(6)：1 2 郭景坤，马利泰，茅志琼等 碳纤维 石英复合材料中 石英玻璃的析晶 材料科学进展，1 9 9 o；4(2)：1 8 8 3 韩欢庆，雷廷权，温广武等 碳纤维补强增韧熔石英 性能研究 机械工程材料，1 9 9 6；2 0(3)：2 8 4 贾德昌，周玉，雷廷权等 碳纤维含量对

21、 c sio 2 复合 材料组织与性能的影响 宇航材料工艺，2 0 0 1；3 1(4)：3 0 5 韩欢庆，葛启录，雷廷权等 熔石英基复合材料性能 的研究 粉末冶金技术，1 9 9 9；1 7(3)：2 0 1 6 韩欢庆，葛启录，陈玉萍等 晶须补强增韧熔石英材 料的热学性能 材料科学与工艺，1 9 9 9；7(1)：3 0 (编辑马晓艳)(上接第 1 5 页)9 易沛，甘永学 镀金属碳纤维吸波涂层添加剂 的初 探 航空学报，1 9 9 1；1 2(1 2)：B 6 5 5 B 6 5 7 1 O 曾样云 新型微波吸收复合材料的制备工艺和性能 研究 天津大学硕士论文。1 9 9 7 l 1

22、王晓红，刘俊能，何山 碳纤维复合材料的雷达透射 性研究 材料工程，1 9 9 8；(1)：1 51 8 1 2 王晓红，刘俊能 碳纤维复合材料 的微波反射特性 研究 功能材料，1 9 9 9；3 0(4)：3 8 73 8 8 1 3 甘永学 含谐振子的电磁波功能材料的研究 北京 航天航空大学博士论文，1 9 9 2 1 4 邢丽英，刘俊能 短碳纤维电磁特性及其在吸波材 料中应用研究 材料工程，1 9 9 8；(1)：1 9 2 1 1 5 吴晓光，车哗秋编译 国外微波吸收材料 国防科技 大学出版社。1 9 9 2：1 6 1 6 程海峰，陈朝辉 短切碳化硅纤维微波电磁参数改 性研究 宇航材料

23、工艺。1 9 9 9；2 9(4)：4 1 4 4 1 7 Mo u c h o n E C o I _o m b a n l l1 ll i c 1 D w a v e a b s o r b e n t p r e p a r a-fi o n。me c h a n i c p r o p e r t i e s a n dmi c r o wa v e c o n d u c t i v i t y 0 f S i Cfi b e r r e-i n f o re e d n a s i c o n m a t r i x c n p 0 s i t e J M a t e r S c

24、i ，1 9 9 6；3 1(2)：3 2 3 3 3 2 1 8 杨孚标，李永清，程海锋 S i C纤维的 B 4 C涂层研究 功能材料，2 O O 2；3 3(3)：2 8 62 8 7 1 9 王军，王应德 以碳化硅纤维为吸收剂的结构吸波 材料设计 功能材料增刊，1 9 9 8；(1)：6 2 8 6 29 2 0 王军，陈革 以异型碳化硅纤维为吸收剂的结构吸 波材料设计 材料工程，2 0 0 0；(7)：2 729 2 1 王军，姚闽 异型截面聚碳硅烷纤维的制备 材料工-4 6-程，2 0 0 0；(9)：3 8 4 1 2 2 王军，宋永才 含钛碳化硅纤维的制备及其微波吸 收特性 材

25、料研究学报，1 9 9 8；1 2(8)：4 1 9 4 2 2 2 3 王军，许云书 含镍碳化硅纤维的制备及其电磁性 能 功能材料，2 0 0 1；3 2(1)：3 7 3 9 2 4 Y a ma mt t m e t a 1 E l e c t r o ma g n e ti c w a v e址ls c ma t e r i-a 1 US P 5 0 9 4 9 0 7 1 9 9 2 0 2 1 5：2 2 5 王秀春 国外隐身材科 的研究与发展 隐身技术，1 9 9 3；(4)：7 0 7 4 2 6 王亦菲，冯春样 电阻率可调的 s i CO纤维 的研制 高技术通讯，1 9 9

26、9；9(5)：4 5 4 8 2 7 谭松庭，章明秋 金属纤维填充聚合物复合材料的 导电性能和电磁屏蔽性能 材料工程，1 9 9 9；(1 2)：1 5 1 7 2 8 赵振声 多晶铁纤维吸波材料的微波磁性研究 磁 性材料与器件，2 0 0 0；3 1(1)：1 31 6 2 9 张秀成，何华辉 多晶铁纤维铺层的雷达波反射特 性研究 功能材料，2 0 0 1；3 2(5)：461 463 3 0 余洪斌，赵振声 一种多晶铁纤维的表面改性方法 表面技术，2 0 0 2；3 1(1)：4 5 4 7 3 1 王曙中，王庆瑞，刘兆锋编著 高科技纤维高论 中 国纺织大学出版社，1 9 9 9：1 1

27、3 2 E d i e D D，Ha y e s G J，I l a s t H E e t a 1 no c 0 f n o n c ir c u l a r p i t c h b a s e d c l u nfi b e r s H i g h t e m pH i g l 嘲 lr 曙，1 9 9 0；2 2 (2)：2 8 9 1 9 8 3 3 S t o n e r E G，E d i e D D，Ke n n e d y J M Me c h a n i c a l p r o p e r ti es 0 f nen c i r e u l a r p i tc h b a s e d c l u n fi b e r g It 唧r i i g h r -S t l _r e s，1 9 9 o；22(2)：2 9 9 3 0 8 (编辑马晓艳)宇航材料工艺2 0 O 3年第 6 期 维普资讯 http:/