连续SiC纤维表面原位C-SiC_xO_y复合涂层的制备及其应用研究

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纤维表面涂层技术一直是SiC纤维研究领域的热点。一方面,纤维表面涂层是纤维增强陶瓷基复合材料实现非脆性断裂的关键组元;另一方面,涂层也是调整SiC纤维表面状态、改变其功能的必要手段。本研究以氧化交联的富碳富氧型连续SiC纤维为原料,以氯气为反应气源,采用碳化物衍生碳技术,在纤维表面原位生成了 C-SiCxOy复合涂层,研究了涂层的微观结构、电阻率和介电常数;并初步评价了其作为复合材料界面层的性能。获得以下主要结论:(1)在所选温度范围(500~750℃)内,涂层的生成速率与反应时间呈线性关系,表明氯化反应主要是受表面反应和纤维/涂层界面反应控制,而反应物向内扩散对涂层形成速率的影响并不显著。随着反应温度的提高,涂层的生成速率显著增大。在600℃反应5 min,涂层厚度为591nm;在750℃反应5 min,整根纤维被完全反应。(2)结构分析表明,在氯化反应中,Cl2对各SiCxOy(SiC3O、SiC2O2、SiCO3)亚稳相有选择性腐蚀作用;按照电负性的差异,Cl2优先腐蚀SiC,而后依次腐蚀SiC3O、SiC2O2、SiCO3。通过调控工艺参数,可以改变产物涂层中C和亚稳相SiCxOy的组分比例,进而调控涂层的结构与性能。涂层的化学组成主要由氯化反应的温度决定;而延长氯化反应时间主要改变涂层的厚度。(3)通过调节C-SiCxOy复合涂层的微观组分,带涂层的SiC纤维电阻率可在大范围内(106~10-1Ω·cm)连续调节。选用电阻率为7.8 Ω cm(650-5试样)和83.91 Ω·cm(600-5试样)为吸波介质和阻抗匹配层,将二者叠为双层结构。当两层厚度均为3 mm时,双层结构的电磁损耗在X波段全波段低于-20 dB,对电磁波的吸收率超过99.99%。(4)将带有C-SiCxOy涂层的连续SiC纤维制备为纤维增强SiOC陶瓷基复合材料。观察复合材料断口发现,纤维表现出显著的拔出现象,表明C-SiCxOy涂层具有复合材料界面层的功能。通过调整涂层的化学组分,还可以调节其与SiOC基体的界面结合力,进而调节其作为界面层的性能。
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