裂解温度对聚硅氧烷转化C_f/Si-O-C复合材料界面结构和弯曲强度的影响

【作者】 马青松； 陈朝辉； 郑文伟； 胡海峰；

【机构】 国防科技大学新型陶瓷纤维及复合材料国防科技重点实验室；

【摘要】 先驱体转化法(PIP)是制备连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)的一种新工艺,具有制备温度低、可对先驱体进行分子设计制备出所需组成和结构的陶瓷基体、可借鉴聚合物复合材料的成型工艺制备复杂形状构件等优势,近些年来引起广泛关注。在PIP法所用陶瓷先驱体中,聚硅氧烷(PSO)廉价易得,在惰性气氛和NH3中裂解可分别得到性能优秀的Si-O-C和Si-N-O陶瓷,被认为是PIP法低成本制造高性能CFRCMCs的最佳先驱体。美国国防先进研究计划局已把PSO转化制备陶瓷材料列为低成本陶瓷复合材料的主要研究内容。界面结合状态是决定PIP法CFRCMCs力学性能的关键因素。从PIP法的工艺过程(先驱体浸渍纤维预制件→交联固化→裂解)分析,界面结合状态在很大程度上取决于裂解步骤。因此,裂解对PIP法CFRCMCs的界面结构和力学性能有重要影响。然而,目前关于裂解工艺参数对材料界面结构和力学性能影响的研究还鲜有报道。本文选用国内市场上廉价易得的PSO作为先驱体,以二维碳纤维编织布为增强相,采用PIP法制备Cf/Si-O-C复合材料,初步探讨了裂解温度对材料界面结合状态和力学性能的影响。实验中重复15个周期的PSO真空浸渍-交联固化-裂解过程直至样品增重率小于1wt%,制备出Cf/Si-O-C复合材料。在其它工艺参数相同的条件下,变化倒数第二周期的裂解温度,制备出样品T-1100和T-1400,两者倒数第二周期的裂解温度分别为1100℃和1400℃。结果表明,当倒数第二周期的裂解温度从1100℃提高到1400℃时,材料的弯曲强度提高了18.5%。从两个样品的断口形貌和载荷-位移曲线中可清楚地看到,样品T-1100的断口很平,只有极少数的纤维拔出,拔出长度也很短,说明界面结合很强。因此,该样品呈现出典型的脆性断裂模式,断裂时的最大位移也较小,只有0.23mm。而样品T-1400的拔出纤维数量比样品T-1100明显增多,拔出长度也明显加长,表明样品T-1400的界面结合弱于样品T-1100。弱结合界面有利于纤维拔出、界面脱粘等增韧机制发挥作用,能吸收裂纹扩展的能量,使裂纹偏转。因此,该样品呈现出一定程度的韧性断裂模式,断裂时的最大位移也明显比样品T-1100大,达到0.46mm。对于CFRCMCs来说,纤维的就位强度决定了CFRCMCs的弯曲强度,界面结合强度决定了CFRCMCs的断裂韧性。在样品T-1100中,观测到Si原子在制备过程中已经扩散到碳纤维里面,这将导致纤维强度大幅度下降同时形成强结合界面。因此,样品T-1100表现出较低的弯曲强度和脆性断裂模式。根据H?hnel等人的研究结果和本文的测试结果,可以推测,由于Si原子向碳纤维内部扩散而形成的界面层是由Si、C、O原子组成的。前期研究表明,这种Si-O-C界面层属于亚稳相,它在1400℃时会发生比较明显的分解反应,从而使界面结合弱化,提高纤维就位强度。所以,样品T-1400表现出较高的弯曲强度和一定程度的韧性断裂模式。更多还原