复合材料第三章复合材料的增强体-碳化硅纤维.ppt

* * 5.1 概述 5.2 碳化硅纤维的制备 5.3 碳化硅纤维的结构 5.4 碳化硅纤维的性能 5.5 碳化硅纤维的应用 §5 碳化硅纤维 碳化硅纤维具有很高的比强度、比刚度，耐腐蚀、抗热震、热膨胀系数小、热传导系数大等优点。 碳化硅纤维还具有良好的抗氧化和高温性能（其室温性能可保持到1200?C） 碳化硅纤维成本下降的潜力很大。 适合于制备树脂、金属及陶瓷基复合材料。 5.1 概 述 5.2 碳化硅纤维的制备 碳化硅纤维的制备方法有 先驱体转化法 和 CVD法 两种。 （1）先驱体转化法： 1975年由日本的关岛教授首先研制成功，有Nicalon 和Tyranno两种商品。纤维呈束状，每束500根左右，每根纤维 10 ?m 左右。先驱体转化法制备碳化硅纤维工艺流程：聚碳硅烷合成、聚碳硅烷纺丝、不熔化处理、烧结等阶段。 （2）CVD法： 将基体丝连续通过玻璃管状反应器，并在加热到1200 ~ 1300?C的同时通入适量的氯硅烷与氢气的混合反应气体，反应气体在热丝上发生热解反应生成SiC并沉积在热丝上形成带有芯（丝）材的连续SiC纤维。 CH3 SiCl3 + H2 ? SiC? + HCl? + ??? 芯材： 制备SiC纤维所采用的基体丝有连续碳丝（直径33μm左右）和钨丝（直径12μm左右），制备的单丝直径为100 ? 140 微米。 表面涂层处理： 为了缓解SiC沉积所形成的表面损伤敏感性和改善复合材料的界面状况，在制备SiC纤维的同时可对纤维表面进行不同的涂层处理。 5.3 碳化硅纤维的结构 研究表明碳化硅纤维中含有β—SiC微晶及少量石墨微晶和α—石英微晶，这些微晶大小约为5纳米左右，因此可以认为 碳化硅纤维是由β—SiC微晶、少量石墨微晶和α—石英微晶组成的均匀分散体。 5.4 碳化硅纤维的性能 （1）力学性能：优异力学性能（均匀分散的微晶凝聚力大） 表3.8 各种SiC纤维的性能比较 961.5 1058.8 1200.0 1000.0 ~6250.0 96.2 117.6 133.3 116.7 218.8 2500 3600 3600 2400 ~ 20000 250 400 400 280 700 2.6 3.4 3.0 2.4 3.2 NicalonCVD-W芯 CVD-C芯 Tyranno 晶须 比强度 (MPa/g/cm3) 比模量 ( GPa/g/cm3) 拉伸强度 （MPa） 弹性模量 （GPa） 密度 （g/cm3） 纤维 （2）物理化学性能 耐氧化性： 优异的耐氧化性能，在1000度以下力学性能基本没有变化，1300度以上由于β—SiC微晶长大而力学性能下降。 耐腐蚀性：具有良好的耐化学腐蚀性。 与金属反应：1000度以下与金属几乎不反应，但有良好的浸润性，有益于与金属复合。 5.5 碳化硅纤维的应用 主要应用于航空航天领域。 （请参阅教科书相关的内容） 氧化铝纤维的制备及其结构: 制备方法较多，制备的晶型有? -、? -、?-Al2O3。 杜邦法（Du Pont）：又称泥浆法，可获得高纯和致密的氧化铝纤维，制备的纤维是多晶结构； 拉晶法（Typo）：采用制造单晶的方法制备氧化铝纤维，是单晶结构； §6 氧化铝纤维 住友法：日本住友公司使用的、通过先驱体转化法制备的氧化铝纤维，其结构为粒径为5纳米的超微粒子聚集而成，属于一种凝聚结构。 溶胶-凝胶法（3M）：美国3M公司采用该方法制备了氧化铝纤维，其结构为多晶混合结构。 ICI法：英国ICI公司采用的独特的制备方法，化学成分为?-Al2O3。 氧化铝纤维的性能及应用：氧化铝纤维是多晶纤维，具有很好的 机械性能 以及 出类拔萃的耐热性和抗氧化性 以及 优异的电绝缘性。 ?-、?-Al2O3+SiO2 1600 100 1000 3 3.4 ICI法 ? -Al2O3 1300 150 1750 11 2.5 三M法 ? -Al2O3+SiO2 1300 250 2600 9 3.2 住友法 单晶 ? -Al2O3 2000 460 2400 250 3. 99 Tyco法 ? -Al2O3 1100 300 1400 20 3.9 Du Pont法 化学组成 最高使用温度（?C） 拉伸模量 (GPa) 拉伸强度(MPa) 直 径 (?m) 比 重(g/cm3) 纤 维 表3.9 各种氧化铝纤维的性能 氧化铝纤维的缺点是 密度大、脆性大，主要用于增强聚合物及金属基体复合材料，增强陶瓷基体复合材料尚需进一步开发。 制备方法：先获得具有纺丝功能的聚氮硅烷，再经过不熔化处理、1200度左右的高温热处理，从而获得直径