【摘 要】
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SiCf/SiC复合材料是航空航天领域很有潜力的高温结构件材料。陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composites,CMCs)中纤维和基体之间较弱的界面结合,是保证CMCs具有良好韧性的关键,在纤维表面预先制备一层弱界面涂层是CMCs形成弱界面结合的最有效方法。目前,热解碳(Py C)和BN涂层是公认的增韧效果最好的CMCs界面涂层,但是它们严重的氧化问题极大地限制CMCs在高温氧
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SiCf/SiC复合材料是航空航天领域很有潜力的高温结构件材料。陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composites,CMCs)中纤维和基体之间较弱的界面结合,是保证CMCs具有良好韧性的关键,在纤维表面预先制备一层弱界面涂层是CMCs形成弱界面结合的最有效方法。目前,热解碳(Py C)和BN涂层是公认的增韧效果最好的CMCs界面涂层,但是它们严重的氧化问题极大地限制CMCs在高温氧化环境的应用。另外,界面涂层的制备过程很容易造成纤维强度的退化,元素扩散、纤维/涂层界面反应和应力腐蚀等因素均有可能造成纤维损伤,进而很大程度地影响CMCs的性能,造成其服役稳定性和可靠性下降。因此,开发出本身抗氧化的弱界面涂层,以及厘清界面涂层制备过程中纤维强度的退化机理,对提高CMCs可靠性以及服役寿命至关重要。本文以溶胶-凝胶法在SiC纤维表面制备有潜力的抗氧化弱界面涂层,同时研究界面涂层制备过程中SiC纤维强度退化机理。首先,研究具有多孔结构的ZrB2-SiC界面涂层制备过程中SiC纤维强度的退化机理,证实外层多孔界面涂层对纤维强度的影响,并揭示其影响规律。随后,对具有层状晶体结构的CaWO4界面涂层制备过程中SiC纤维的强度退化机理进行研究。着重研究分解产生的气体种类,以及副产物钙盐在不同温度和气氛对SiC纤维应力腐蚀的影响差异,并基于对强度退化机理的认识,发展了低温预热处理方法消除涂层制备过程的气体应力腐蚀,避免在CaWO4涂层的制备过程中对SiC纤维造成损伤。最后,利用前驱体浸渍裂解(precursor infiltration and pyrolysis,PIP)法制备SiCf/CaWO4/SiC复合材料,定量表征CaWO4界面涂层的界面性能,并且探究其在高温氧化环境的稳定性。本文的主要内容和结论如下:(1)本文以溶胶-凝胶法利用碳热还原反应,在KD-II型SiC纤维表面制备含有不同厚度的多孔ZrB2-SiC界面涂层,同时研究不同厚度多孔ZrB2-SiC涂层对SiC纤维强度的影响。结果表明,SiC纤维的强度退化的主要因素是涂层制备过程中造成的纤维本身的缺陷,同时多孔ZrB2-SiC界面涂层的存在也会带来不可忽视的纤维强度退化,但是影响要小于纤维本身缺陷的影响。多孔界面涂层对纤维强度的影响随着涂层厚度的增加而成倍增强。(2)以溶胶-凝胶法在KD-II型SiC纤维表面制备连续的CaWO4界面涂层,研究溶胶分解产生的副产物气体种类对SiC纤维应力腐蚀程度的区别和机理。结果表明,涂层前驱体分解产生的气体化学组成与纤维强度退化大小有很强的相关性。分解产生的气体中,与SiC纤维反应的气体如H2O、O2和CO2对纤维进行应力腐蚀,是造成纤维强度退化的主要原因,造成约0.5-0.6 GPa强度损伤。而不与SiC纤维反应的气体对纤维应力腐蚀,导致的纤维强度退化要小很多,仅有0.1-0.2 GPa左右。由此,设计了一种新方法,可简便有效地消除SiC纤维在界面涂层制备过程中的强度退化。此方法对浸渍溶胶后的纤维进行长时间低温预热处理,将气体分解产物提前从涂层中释放出去,避免气体分解产物在后续制备过程中对纤维进行应力腐蚀。(3)以不同溶胶为前驱体,在900-1100℃不同气氛下,于KD-II型SiC纤维表面制备均匀且连续的CaWO4涂层。系统地研究以不同溶胶为前驱体制备CaWO4界面涂层过程中,气氛和温度对SiC纤维强度退化的影响及机制。制备环境为真空时,SiC纤维只会受到气体分解产物的应力腐蚀,而制备环境为氩气或者空气时,SiC纤维还会受到残留在涂层中的钙盐的应力腐蚀作用。相比于真空环境,氩气或者空气的氧分压更高,在氧气和钙盐的共同作用下SiC纤维的氧化速度加快,并且在纤维表面形成较大的腐蚀孔洞,从而导致SiC纤维的强度进一步降低。气体分解产物和残留钙盐对SiC纤维的应力腐蚀作用,都随涂层制备温度升高而变强,而在制备温度相同时,钙盐对SiC纤维的应力腐蚀作用要高于气体分解产物。(4)用PIP法制备含有CaWO4界面涂层的SiCf/SiC复合材料,定量表征CaWO4界面涂层的界面性能,并且探究高温氧化环境下CaWO4界面涂层的稳定性。结果表明,CaWO4界面涂层可以为SiCf/SiC复合材料提供较弱的界面结合,复合材料在断裂之后可以观察到明显的纤维拔出和界面脱粘现象。CaWO4界面涂层在SiCf/SiC复合材料中的界面脱粘应力为80.7±4.6 MPa,介于Py C和La PO4涂层的脱粘应力之间。CaWO4界面涂层作为抗氧化弱界面涂层,在较高温度富氧环境中优于Py C和BN涂层,并且应用于SiC复合材料体系时优于La PO4涂层。
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