改性纤维增强莫来石陶瓷基复合材料的制备与性能研究

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莫来石陶瓷具有优秀的高温性能、耐疲劳性能和热震稳定性,并且还具有低的密度、低的热膨胀系数等特点,但是莫来石陶瓷具有本征脆性,这是阻碍莫来石陶瓷实际应用的重要缺点。连续纤维增强的莫来石陶瓷基复合材料能够改善莫来石陶瓷的本征脆性,在航天航空领域和热防护领域有着广泛的应用。本文采用溶胶-凝胶工艺,选取碳纤维和莫来石纤维为增强体,并对两种纤维的表面进行了C涂层和ZrO2涂层的改性,并以莫来石溶胶为先驱体制备得到了两种改性纤维增强的莫来石陶瓷基复合材料。利用XRD、SEM、TG-DTA等测试方法对先驱体凝胶、莫来石的莫来石化进程进行了测试和表征。利用电子万能试验机对制备的两种复合材料的力学性能进行测试表征。以正硅酸乙酯(TEOS)、六水氯化铝(AlCl3·6H2O)为原料分别提供硅源和铝源,将C2H6O、H2O、TEOS按照质量比为2:1:10,C2H6O、H2O、AlCl3·6H2O按照质量比为10:10:14分别配置硅溶胶和铝溶胶。以质量分数为25%的氨水作为凝胶助剂,并m(TEOS):m(AlCl3·6H2O):m(氨水)为2:7:1制备的莫来石溶胶。以质量分数为20%的葡萄糖溶液,采用水热反应在纤维表面成功制备了厚度约为1μm的碳涂层;以氯氧化锆(ZrOCl2·8H2O)提供锆源,以质量分数为30%的过氧化氢溶液为水解促进剂,按照n(H2O2)/n(Zr)比例为6:1配置氧化锆溶胶,采用浸渍-裂解工艺,800℃裂解后,成功在碳涂层外制备了ZrO2涂层。并对ZrO2涂层的抗氧化作用进行了考察,证明了C/ZrO2复合涂层成功提高了碳纤维在有氧环境下的起始氧化温度,复合涂层对碳纤维起到很好的保护作用。研究了纤维种类对改性纤维/莫来石陶瓷基复合材料性能的影响,研究结果表明,改性碳纤维作为增强体制备的莫来石复合材料的性能更为优异。1400℃下裂解制备的碳纤维/莫来石复合材料(Cf/Mullite复合材料)的的弯曲强度和断裂韧性分别为74.10MPa和6.10MPa·m1/2;改性莫来石纤维/莫来石陶瓷基复合材料(Muf/Mullite复合材料)的弯曲强度和断裂韧性分别为33.35MPa和2.26 MPa·m1/2。两种复合材料三点弯曲的位移-载荷曲线,和断面的微观形貌分析表明,Cf/Mullite复合材料的断裂行为为韧性断裂,Muf/Mullite复合材料的断裂行为表现为脆性断裂。对两种复合材料热处理30min后,Cf/Mullite复合材料的弯曲强度降低为110.0MPa,强度保持率为73.4%;Muf/Mullite复合材料的弯曲强度降低为102.7MPa,强度保持率为85.4%。Cf/Mullite复合材料热处理30min后,弯曲强度的保持率较Muf/Mullite复合材料低,但是最终的弯曲强度仍高于Muf/Mullite复合材料。在1200℃进行10次高温-低温循环后,复合材料弯曲强度降为112.9MPa,强度保持率为86.7%。以水淬法对究Cf/Mullite复合材料的抗热冲击性能进行考察,结果表明,Cf/Mullite复合材料在温差低于800℃时,残余强度变化不大,在温差高于1000℃后,复合材料残余强度的下降趋势开始延缓,1200℃时残余强度为57.5%,具有较好的抗热冲击性能。
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