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中超股份聊陶瓷纤维及其涂层

中超股份聊陶瓷纤维及其涂层

  • 分类:最新动态
  • 作者:ZC-New Material
  • 来源:陶瓷纤维和涂层21世纪先进材料
  • 发布时间:2021-12-29
  • 访问量:0

【概要描述】在陶瓷基复合材料(CMC)的加工处理和性能应用中,纤维扮演了非常重要的角色。纤维的热机械和热化学性能决定了复合材料制造的气氛、温度和编织能力。在服役过程中,纤维及其相应的过渡相对提高复合材料性能的效果起关键作用。当基体上萌生裂纹时,纤维起到维持复合材料结构一体化的重要作用。

中超股份聊陶瓷纤维及其涂层

【概要描述】在陶瓷基复合材料(CMC)的加工处理和性能应用中,纤维扮演了非常重要的角色。纤维的热机械和热化学性能决定了复合材料制造的气氛、温度和编织能力。在服役过程中,纤维及其相应的过渡相对提高复合材料性能的效果起关键作用。当基体上萌生裂纹时,纤维起到维持复合材料结构一体化的重要作用。

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  • 作者:ZC-New Material
  • 来源:陶瓷纤维和涂层21世纪先进材料
  • 发布时间:2021-12-29
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  在陶瓷基复合材料(CMC)的加工处理和性能应用中,纤维扮演了非常重要的角色。纤维的热机械和热化学性能决定了复合材料制造的气氛、温度和编织能力。在服役过程中,纤维及其相应的过渡相对提高复合材料性能的效果起关键作用。当基体上萌生裂纹时,纤维起到维持复合材料结构一体化的重要作用。

 

  在CMC中作为增强体的纤维大体上分为两类:(1)非氧化物纤维,如碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)及硅---碳(Si-B-N-C);(2)氧化物纤维,如铝的氧化物(Al2O3,还包括单晶氧化铝)、氧化铝和氧化锆的混合物(Al2O3ZrO2YAG以及莫来石(3Al2O3-2SiO2)。非氧化物纤维具有高强度、好的抗蠕变性,但是却容易被氧化而导致性能退化。氧化物纤维与生俱来便抗氧化,但是由于有较高的氧元素扩散,所以在高温下只有有限的抗蠕变性。随着晶粒尺寸的增大,多晶氧化物纤维的蠕变速率降低,但是这个优点却因强度的降低而被抵消了。

 

  非氧化物纤维通常采用聚合物前驱体来制造,在它们裂解成为陶瓷纤维之前,需要经过复杂的中间处理过程。聚合物前驱体法制造的SiC类纤维是强度最高的陶瓷纤维,早期的这类纤维(以NicalonTM为代表)是由非常小的β-SiC晶粒、高碳和/或非晶相等构成。这类纤维有较低的弹性模量,因而它们的断裂应变大于1%。后期的这类纤维有更低的氧含量,并且在更高的温度下才裂解,从而β-SiC的晶粒更大、非晶相含量很低且碳和SiC的体积分数更高。因此,其室温强度下降、模量上升,从而在满足断裂应变的同时,显著提高了高温强度和抗蠕变性。有趣的是一种非Si-B-N-C纤维的研制(采用了一种新的聚合物前驱体法制造),这种纤维有很高的强度和硬度,而且实际中具有较好的强度保持力及抗蠕变性(Baldus,1997)

 

  单晶氧化物纤维通常比(与之同质的可对比的)多晶氧化物纤维具有更高的强度和更好的抗蠕变性。然而,由于它制造非常昂贵,故本书中没有讨论。在多晶氧化物纤维中,强度最高的是由湿化学前驱体衍生出的纤维,这种方法可获得细晶粒纤维,同时避免了低强度大晶粒的形成。然而,具有好的晶粒微观结构的材料却比那些组分相同但是具有粗大晶粒微观结构材料的抗蠕变性能差。近期,具有可变晶体形态的两相氧化铝-莫来石纤维研究工作表明,抗蠕变性能提高的同时几乎不会造成强度的降低(与具有好的晶粒微观结构的材料相比)。

 

      CMC中界面涂层的目的是提供弱界面以便将基体中的裂纹与纤维分离,从而为复合材料提供损伤容限。另外,界面涂层通常用以在制造过程和服役过程中保护纤维免受环境的影响。由于大多数的商用纤维是SiC类的,涂层的研发工作主要集中在这类非氧化物纤维上。尽管我们广泛研究了界面涂层,但仅当含碳或含氮化硼的涂层作为中间层时,复合材料才具有强韧的性能。纤维-涂层-基体间界面的氧化是限制这类复合材料寿命的主要原因。界面的氧化使纤维的性能下降,同时也降低了界面的连接性能、从而同时影响了复合材料的强度和韧性。

 

  氧化物陶瓷纤维涂层的发展比非氧物陶瓷纤维涂层晚得多,其中一方面就是由于氧化物在升温过程中没有足够的抗蠕变性。随着近期抗蠕变性得到提高的氧化物纤维的发展,氧化物体系中界面控制的研究已取得一些进步。对氧化物复合材料体系,刚开始获得纤维涂层的方法(除了从非氧化物复合材料中借鉴的关于碳和氮化硼的法)主要集中在不与纤维或基体形成化合物的氧化物。最近的新方法主要是氧化物界面涂层材料,它模拟碳和氮化硼的层晶体结构,其在非氧化物体系中已取得成功的应用。目前技术发展到能够通过使用多孔涂层和易形变涂层提供一个机械结合弱的界面。对于氧化物体系,最新的界面研究集中于在涂层化合物和氧化物纤维间创建高表面能或者不润湿的界面。

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