核聚变是最终解决人类能源问题的主要途径,聚变能走向应用的技术载体是聚变反应堆,聚变堆核心部件包层的高温、高应力、强辐照工作环境对相关材料提出了严苛的要求。连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(Si C/Si C)被认为是极具前景的聚变堆候选材料。本文针对聚变堆材料的应用要求,首先在KD-I型Si C纤维表面制备了不同界面层,然后使用不同先驱体聚合物,通过先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备了Si C/Si C复合材料。对Si C/Si C复合材料的结构、性能进行了表征,探讨了高温热处理对Si C/Si C复合材料结构性能的影响规律,开展了Si C/Si C复合材料的高能电子辐照实验,在Si C/Si C复合材料表面制备了钨涂层并对其性能进行了研究。研究了不同界面层在Si C/Si C复合材料制备过程中的结构演变。通过化学气相沉积(CVD)工艺在Si C纤维表面制备了裂解碳涂层(Py C)和碳纳米管(CNTs)界面层。Py C涂层均匀致密,呈乱层石墨结构,在复合材料制备过程中保存完好,能够起到良界面层的作用。CNTs均匀茂密的生长于纤维表面,但在复合材料制备过程中被Si C基体包裹,最终形成的纤维-基体界面为Si C纤维与Si C基体之间的直接结合,不利于载荷传递与裂纹偏转。研究了热处理温度对先驱体转化Si C基体结构、性能的影响。PCS转化Si C陶瓷(PCS1100)的结构为β-Si C微晶和少量游离碳等杂质分布于无定形Si-C-O相中。随热处理温度升高,Si C微晶数量与尺寸逐渐增加。1600°C时晶粒中出现堆垛层错,游离碳相逐渐石墨化,1800°C热处理后(PCS1800)乱层石墨数量增加。LPVCS转化Si C陶瓷(LPVCS1100)为无定形结构,1400°C热处理后出现β-Si C微晶,此后结晶程度热处理温度升高而上升,1800°C热处理后(LPVCS1800)无定形相基本消失。两种Si C陶瓷的室温热扩散系数均随热处理温度升高而增加。研究对比了不同界面层,不同先驱体制备Si C/Si C复合材料的力学性能。以Py C为纤维涂层制备的Si C/Si C复合材料(PL1100,PP1100)弯曲强度和断裂韧性较高,分别达到520.6 MPa和24.8 MPa·m1/2和521.2 MPa,22.9 MPa·m1/2。其中热模压成型工艺提高了复合材料中的纤维体积分数,同时去除了沿纤维束交界分布的孔隙,对PP1100力学性能的提升产生了积极影响。通过扫描电镜对双悬臂梁样品压缩加载模式下Si C/Si C复合材料的失效过程进行了原位观测。以CNTs为界面层制备的Si C/Si C复合材料(CL1100)呈脆性断裂模式,裂纹萌生于狭缝顶端,扩展途中在界面处并不偏转,初始裂纹即为主裂纹。PL1100和PP1100呈伪塑性断裂特征,初始裂纹起源于狭缝顶端附近,材料中产生大量二次裂纹与微裂纹,最终裂纹并非初始裂纹。通过X射线断层扫描技术研究了Si C/Si C复合材料的闭孔率和失效过程。通过三维可视化得到了Si C/Si C复合材料的三维图像,并计算得到Si C/Si C复合材料CL1100和PP1100的闭孔率分别为4.6%和9.2%,说明以LPVCS为先驱体制备的Si C/Si C复合材料具有较低的孔隙率和较高的致密效率。对复合材料PP1100进行了基于图像的建模,并对其在赫兹压痕加载下的失效过程进行了模拟计算。与三维数字图像相关(DVC)分析结果对比表明,元胞自动机有限元法(CAFE)的计算结果与测量值较为吻合,且对孔隙等微结构的影响有着更灵敏的反应。研究了热处理温度对Si C/Si C复合材料结构、性能的影响。PP1100的力学性能随热处理温度升高呈先升后降的趋势。复合材料经1400°C热处理后力学性能得到了提高,弯曲强度达576.7 MPa,断裂韧性达25.7 MPa·m1/2。通过纳米压痕测试原位表征了纤维与基体的力学性能变化。结果表明,此时Si C纤维的显微硬度与模量变化不大,而基体的显微硬度与模量则由于结晶化大幅提高,因此复合材料整体力学性能得到了改善。经1600°C和1800°C热处理后,复合材料力学性能显著下降。PL1100的力学性能随热处理温度升高而呈下降的趋势,纳米压痕测试的结果表明PL1100中Si C纤维、基体的力学性能均随热处理温度的升高而下降。此外,两种Si C/Si C复合材料的电导率均随热处理温度的升高而呈现增加的趋势。研究了1400°C温度下热处理时间对Si C/Si C复合材料PP1100结构性能的影响。PP1100在该温度下的失重率随热处理时间延长而逐渐增加但保持较低水平,热处理3小时后失重率仅为1.2%。复合材料力学性能随热处理时间延长呈先升后降的趋势,热处理1小时后整体力学性能最高,此后逐渐下降,热处理3小时后复合材料的弯曲强度仍有462.7 MPa,显示了PCS转化Si C/Si C复合材料在此温度下良好的热稳定性。使用1.8 Me V高能电子对Si C陶瓷基体和Si C/Si C复合材料进行了辐照,辐致发光谱图中均未观察到特征发光谱带。LPVCS1100经电子辐照后受到明显的表面损伤,辐照区域呈现龟裂状形貌,元素组成变化不大,但晶体结构发生了明显的无定形化。LPVCS1800经电子辐照后形貌、组成与结构均无明显变化。PCS1100辐照区域存在较浅的刻蚀痕迹,元素组成与晶体结构变化则不明显。PCS1800辐照后辐照区域存在较多熔坑状形貌,C元素在熔坑状区域中有明显的富集,辐照区域的晶体结构发生了显著的无定形化,出现了大量的非晶相区域。Si C/Si C复合材料PL1100辐照后形貌、组成与结构均无明显变化,Si C/Si C复合材料PP1400辐照后形貌、组成变化不大,但结构上发生了无定形化。钨涂层是聚变堆包层中重要的防辐照材料,通过等离子喷涂工艺在Si C/Si C复合材料表面制备了钨涂层,涂层的表观质量较好,均匀覆盖于样品表面,无宏观裂纹、孔洞。涂层的密度与孔隙率分别为17.6 g/cm3和6.7%,显微硬度、模量分别为19.5 GPa和164.1 GPa,与Si C/SiC复合材料基底的结合强度为8.1 MPa。钨涂层厚度约为200μm,呈现出等离子喷涂涂层典型的层片状结构,涂层与基底结合紧密。涂层中孔隙与裂缝主要存在于未熔颗粒的附近,氧元素主要分布于熔融粒子的边缘区域。涂层断口呈现出典型的沿晶脆性断裂的形貌,可观察到垂直生长的定向凝固柱状晶组织,晶粒高度约为数微米级,长宽约为0.2~1μm。