LSI法制备C/C-SiC复合材料的结构和性能研究

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C/C-SiC复合材料因其具有密度低、抗氧化性能好、耐腐蚀、良好的摩擦磨损性能等优点,并且能满足1650℃高温使用的新型高温结构材料和功能材料而被广泛研究和应用。但由于其生产成本偏高,极大的限制了其在摩擦领域的应用。为了扩大其应用领域,本文采用了制备周期短,生产成本较低的LSI法制备C/C-SiC复合材料,并研究了Si-C反应过程,以及不同C/C预制体密度和结构对C/C-SiC复合材料的力学性能和摩擦磨损性能的影响,同时,也研究了C/C-SiC复合材料的摩擦磨损机理。本文主要结论如下:1、采用LSI法制备出了不同C/C预制体密度和结构的C/C-SiC复合材料,生产周期短,成本低。2、LSI法制备的C/C-SiC复合材料中不可避免的会有残余Si存在,且分布在SiC相中间。SiC相有两种分布状态,一种是连续均匀的分布在基体碳周围,呈网状分布,另外一种则成颗粒状分布于Si中。由于SiC和C的热膨胀系数不匹配,SiC易产生裂纹,裂纹为液Si与C进一步反应提供通道。热解碳与树脂碳结合界面为物理结合,结合强度较低,与SiC界面为化学结合,结合紧密,结合强度较高。3、C/C预制体密度为1.45g/cm3、1.55g/cm3、1.65g/cm3时,渗硅后材料两个方向(XY向和Z向)上的力学性能都有所升高,压缩性能升高更明显,升高幅度约为50%。随着预制体密度的升高,材料两个方向上的弯曲、压缩、剪切性能都有所提高;材料两个方向上的的弯曲和剪切性能都比密度为1.88g/cm3的C/C复合材料低,压缩性能在XY向上都比密度为1.88g/cm3的C/C复合材料高,Z向上C/C预制体密度为1.45g/cm3、1.55g/cm3的C/C-SiC复合材料密度为1.88g/cm3的C/C复合材料低,密度为1.65g/cm3的C/C-SiC复合材料比密度为1.88g/cm3的C/C复合材料高。不同C/C预制体密度C/C-SiC复合材料在XY向上压缩断口为对角线方向,Z向上压缩断口方向与载荷方向一致。4、C/C预制体为1.45g/cm3时,无纬布针刺毡C/C-SiC复合材料较PANOF针刺整体毡结构材料的力学性能好,且PANOF针刺整体毡结构C/C-SiC复合材料的断裂方式均为脆性断裂,无纬布针刺毡结构C/C-SiC复合材料且表现出“假塑性特征,且XY向上断口宏观形貌为台阶状。5、当C/C预制体密度为1.40g/cm3以上时,C/C-SiC复合材料的摩擦系数随C/C-SiC复合材料的密度先升高后下降,磨损量也先升高后下降,综合考虑,当C/C预制体密度为1.45g/cm3时,C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能最优,摩擦系数为0.462,线磨损量为0.600μm/次,质量磨损量为0.197g/次。6、当预制体密度为1.45g/cm3左右时,与无纬布针刺毡C/C预制体制备的C/C-SiC复合材料相比,PANOF整体毡C/C预制体的制备的C/C-SiC复合材料的摩擦系数差别甚小,磨损量较小,刹车时间短,力矩稳定系数高,整体摩擦磨损性能更优。7、当C/C结构为无纬布针刺毡,且密度为1.45g/cm3左右时,摩擦压力越高,转速越大,材料的摩擦系数越小,磨损量越低,刹车时间越短。
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