单向连续SiCf增强铝硅酸盐聚合物基复合材料的力学性能

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本文以煅烧高岭土、硅酸钾溶液、SiC纤维等为原材料,利用超声辅助-料浆浸渍工艺制备了铝硅酸盐聚合物(KGP)和不同纤维含量的单向连续SiCf增强铝硅酸盐聚合物基复合材料(SiCf/KGP)。采用X射线衍射、扫描电镜、热重差热分析、热膨胀分析、高分辨率透射电镜和三点弯曲试验等分析测试手段,探讨了SiC纤维含量对SiCf/KGP复合材料的室温力学性能和断裂机制的影响;系统研究了高温暴露对SiCf/KGP复合材料的组织、性能及界面结合的影响;并进一步探讨了KGP及其SiCf/KGP复合材料的高温力学性能及断裂行为。研究结果表明,制备的SiCf/KGP复合材料中纤维单向性好且浸渍充分。碳化硅纤维的引入有效实现了基体的强韧化。尤其是当纤维含量为20vol.%时,其复合材料在x方向上的抗弯强度、弹性模量、断裂韧性和断裂功相比基体材料分别提高了14.4倍、3.4倍、15.2倍和81.5倍。不同纤维含量的复合材料x方向的抗弯强度均比z方向高,然而其断裂功则相反。复合材料在x方向上断裂机制是抗弯剪切破坏,而在z方向上是层间剪切破坏。在1000℃暴露后,KGP结晶转变白榴石和少部分的霞石,而SiCf/KGP复合材料仅生成少部分的霞石,说明了纤维的加入阻碍了铝硅酸盐聚合物高温下的结晶转变。复合材料沿纤维轴向的方向表现一定的膨胀关系,且RT1300℃其平均热膨胀系数(3.6×10-6/K)稍小于SiCf的热膨胀系数;而复合材料的厚度和宽度随温度升高收缩率逐渐增大,在1000℃暴露后收缩率分别为12.0%和13.8%。随暴露温度(6001000℃)的升高,复合材料的力学性能逐渐下降,材料均发生脆性断裂。在900℃暴露后其室温抗弯强度相比于未暴露,其强度保留率为80.0%。然而,在1000℃暴露后仅有25.8%的强度保留率。纤维与基体间的热膨胀系数不匹配形成垂直纤维方向的裂纹以及界面反应弱化导致复合材料的强度降低。铝硅酸盐聚合物在高温下发生粘性烧结致密化使其性能得到提高。其高温力学性能随测试温度的升高而逐渐增大。在1200℃时其高温弯曲强度、高温断裂功相比于室温性能,分别提高了171.0%和325.6%。而且,经高温测试后的室温硬度随温度升高而增大。然而,SiCf/KGP复合材料的高温力学性能随测试温度的升高而逐渐减小。在900℃时复合材料开始发生脆性断裂。在1100℃时其弯曲强度达到110.1MPa,其强度保留率为69.3%。复合材料性能下降的原因主要是纤维与基体的热失配以及界面反应。
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