碳纖維增強(qiáng)莫來(lái)石復(fù)合材料的制備與性能研究

馬青松,李中權(quán),梁松林,肖 旅

(1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410073;2.上海航天精密機(jī)械研究所,上海201600)

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碳纖維增強(qiáng)莫來(lái)石復(fù)合材料的制備與性能研究

馬青松1,李中權(quán)2,梁松林1,肖 旅2

(1.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410073;2.上海航天精密機(jī)械研究所,上海201600)

為解決傳統(tǒng)溶膠制備的碳纖維增強(qiáng)莫來(lái)石復(fù)合材料致密化效率低、制備周期長(zhǎng)、性能不理想等缺陷，以碳纖維布疊層縫合預(yù)制件為增強(qiáng)體，以符合莫來(lái)石化學(xué)計(jì)量比的Al2O3-SiO2溶膠為原料，通過(guò)浸漬-干燥-熱處理技術(shù)路線制備C/Mullite復(fù)合材料。研究了Al2O3-SiO2溶膠的燒結(jié)收縮與莫來(lái)石化行為，對(duì)復(fù)合材料工藝進(jìn)行了初步優(yōu)化，表征了氧乙炔焰燒蝕性能。所用Al2O3-SiO2溶膠的固含量30.7%，陶瓷產(chǎn)率18.3%，經(jīng)1 300 ℃熱處理后，莫來(lái)石化基本完成，且表現(xiàn)出明顯的燒結(jié)收縮。形成了能避免碳纖維布分層開(kāi)裂的復(fù)合工藝路線。獲得了四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性分別為210.6 MPa，11.2 MPa·m1/2的C/Mullite復(fù)合材料。在氧乙炔焰燒蝕中，莫來(lái)石基體分解生成Al2O3和SiO2，在熱流和機(jī)械沖刷作用下，大量SiO2流失，復(fù)合材料的質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率分別為0.049 g/s，0.12 mm/s。

莫來(lái)石； 復(fù)合材料； 碳纖維； 三維增強(qiáng)體； 溶膠； 制備； 力學(xué)性能； 燒蝕

0 引言

莫來(lái)石(Mullite)陶瓷具有密度低、熱膨脹系數(shù)低、抗氧化和抗高溫蠕變性能好等特點(diǎn)，其最顯著的特點(diǎn)是強(qiáng)度和韌性隨溫度升高而增加，在1 300 ℃時(shí)強(qiáng)度和韌性是室溫狀態(tài)下的1.7倍，在1 500 ℃時(shí)強(qiáng)度保留率能達(dá)到90%，在1 600 ℃時(shí)還能保持較好的抗蠕變能力和化學(xué)穩(wěn)定性[1]。因此，莫來(lái)石陶瓷被認(rèn)為是一種非常有前景的高溫結(jié)構(gòu)材料。但莫來(lái)石陶瓷常溫力學(xué)性能不佳，彎曲強(qiáng)度約200～300 MPa，斷裂韌性僅約2 MPa·m1/2，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。通過(guò)引入第二相增強(qiáng)體，能顯著提高莫來(lái)石陶瓷的力學(xué)性能，尤其是斷裂韌性[2]。其中，連續(xù)纖維是目前最有效的一種補(bǔ)強(qiáng)增韌方式。碳纖維耐高溫，成本低，力學(xué)性能優(yōu)異，編織成型易，是最常用的增強(qiáng)纖維，但關(guān)于碳纖維增強(qiáng)莫來(lái)石(C/Mullite)復(fù)合材料的研究并不多，特別是關(guān)于碳纖維三維預(yù)制件增強(qiáng)莫來(lái)石的研究更少[3-7]。纖維三維預(yù)制件具有整體性好、各方向性能可設(shè)計(jì)、成型復(fù)雜形狀易等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)導(dǎo)致目前只能通過(guò)液相法或氣相法制備復(fù)合材料。對(duì)莫來(lái)石陶瓷來(lái)說(shuō)，氣相法制備的原料很少，以溶膠為原料的液相法是一種有發(fā)展前景的制備技術(shù)，具有原料來(lái)源廣、過(guò)程簡(jiǎn)單可控、均勻性好、制備溫度低、對(duì)設(shè)備要求不高等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]在國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展了以溶膠為原料制備碳纖維三維預(yù)制件增強(qiáng)莫來(lái)石復(fù)合材料的研究，取得了較好的增韌效果，但研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)從溶液出發(fā)的路線，由于大量溶劑揮發(fā)和水解副產(chǎn)物排除，導(dǎo)致致密化效率很低，制備周期偏長(zhǎng)，復(fù)合材料的性能仍不理想[7-8]。將水解完全的膠體粒子單分散在溶劑中形成高固相含量的溶膠，可有效解決此問(wèn)題。為此，本文以高固相含量的Al2O3-SiO2溶膠為原料制備碳纖維布疊層縫合結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制件增強(qiáng)莫來(lái)石復(fù)合材料，研究Al2O3-SiO2溶膠的莫來(lái)石化行為與復(fù)合行為，對(duì)復(fù)合材料的性能進(jìn)行表征分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本文碳纖維布疊層縫合結(jié)構(gòu)的三維預(yù)制件由江蘇伯龍宇航新材料科技有限公司生產(chǎn)，纖維體積分?jǐn)?shù)45%～50%，所用纖維為T(mén)300 3K碳纖維，單根纖維直徑約7 μm，密度1.76 g/cm3。Al2O3-SiO2溶膠委托浙江大學(xué)合成，Al2O3/SiO2摩爾比為3∶2。

C/mullite復(fù)合材料的制備過(guò)程為：對(duì)預(yù)制件進(jìn)行高溫處理以除去表面膠，然后置于真空罐中，抽真空后吸入溶膠浸泡預(yù)制件，浸漬一段時(shí)間后取出干燥，干燥后在高溫下熱處理使溶膠莫來(lái)石化，重復(fù)“浸漬-干燥-熱處理”過(guò)程若干周期，得到致密的復(fù)合材料。

通過(guò)測(cè)量質(zhì)量與體積計(jì)算得到復(fù)合材料的表觀密度，用阿基米德排煤油法測(cè)復(fù)合材料的體積密度和開(kāi)孔率，通過(guò)理論計(jì)算得到總孔隙率。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度按ASTM C1341-2000連續(xù)纖維增強(qiáng)高級(jí)陶瓷合成物彎曲特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，采用四點(diǎn)彎曲法測(cè)定，跨高比15，加載速度0.5 mm/min。斷裂韌性采用單邊切口梁法測(cè)試，試樣尺寸4 mm×8 mm×35 mm，切口深度4 mm，跨距30 mm，加載速度0.05 mm/min。參照GJB 323A—96燒蝕材料燒蝕試驗(yàn)方法，用氧乙炔焰燒蝕方法測(cè)試復(fù)合材料的抗燒蝕性能，氧氣流量1 512 L/h，乙炔流量1 116 L/h，火焰中心區(qū)溫度2 727 ℃，噴嘴的直徑2 mm，噴嘴距離試樣中心的距離10 mm，考核時(shí)間30 s，由復(fù)合材料的質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率表征材料的抗燒蝕性能。

用Bruker Model D8 ADVANCED型X射線衍射儀分析凝膠粉的物相。測(cè)試條件為：Cu Kα射線，管電壓40 kV，管電流40 mA，2θ=10°～80°。用Quanta-200 EDAX 型掃描電鏡觀察復(fù)合材料的截面及斷口的微觀形貌。用Quanta-200 EDAX 型掃描電鏡對(duì)復(fù)合材料微區(qū)進(jìn)行能譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶膠的莫來(lái)石化行為

本文的Al2O3-SiO2溶膠為接近全透明液體，在室溫下放置1個(gè)月后，溶膠沒(méi)有發(fā)生明顯變化。溶膠的黏度8.8 mPa·s，經(jīng)200 ℃干燥后的固含量30.7%，經(jīng)1 300 ℃熱處理后的陶瓷產(chǎn)率18.3%，可見(jiàn)溶膠具有固相含量高、黏度低和陶瓷產(chǎn)率高等特點(diǎn)。高固含量和陶瓷產(chǎn)率利于提高復(fù)合材料的致密化效率，低黏度利于溶膠浸漬入碳纖維預(yù)制件內(nèi)部。

對(duì)溶膠經(jīng)200 ℃干燥獲得的凝膠粉末進(jìn)行TG-DSC分析，結(jié)果如圖1所示[9]。由TG曲線可知：溫度達(dá)到120 ℃時(shí)，粉末產(chǎn)生約10%的失重，這是由溶膠干燥過(guò)程殘留的水分揮發(fā)導(dǎo)致的；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高至450 ℃時(shí)粉末失重約40%，這與結(jié)晶水和某些有機(jī)成分的揮發(fā)與分解對(duì)應(yīng)；在溫度450 ℃以上，粉末中的主要成分為Al2O3，SiO2和莫來(lái)石，升溫過(guò)程中質(zhì)量變化不大。

圖1 凝膠粉末TG-DSC曲線Fig.1 TG-DSC curves of gel powders

在DSC曲線中，由于殘余水分蒸發(fā)產(chǎn)熱，100 ℃時(shí)產(chǎn)生吸收峰；180，250 ℃時(shí)的放熱峰及220 ℃時(shí)的吸熱峰可能是由于結(jié)晶水和有機(jī)成分揮發(fā)時(shí)熱量變化所致；1 350 ℃時(shí)，由于莫來(lái)石化反應(yīng)較劇烈，產(chǎn)生強(qiáng)放熱峰；1 140 ℃時(shí)的吸熱峰可能與Al2O3從無(wú)定形狀態(tài)向相的轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)。

為研究溶膠燒結(jié)收縮和莫來(lái)石化行為，將溶膠干燥得到的凝膠粉末經(jīng)研磨、過(guò)篩后，在壓力120 MPa下壓制成型，然后在惰性氣氛中不同溫度下進(jìn)行熱處理，制得陶瓷圓片。陶瓷圓片的線收縮率如圖2所示。由圖2可知：經(jīng)1 000 ℃熱處理后，陶瓷圓片的線收縮率約13.6%；隨著溫度升高，線收縮率呈近似線性規(guī)律增加，1 300 ℃時(shí)22.9%；溫度繼續(xù)升高，線收縮率趨于平緩，1 400 ℃時(shí)23.5%。此明顯的均勻燒結(jié)收縮行為得益于溶膠中納米粒子的高活性，這有助于在制備復(fù)合材料的過(guò)程中提高基體致密度。

圖2 凝膠粉制得陶瓷圓片的線收縮率Fig.2 Linear shrinkage of mullite wafers derived from gel powders

對(duì)經(jīng)不同溫度熱處理后的凝膠粉進(jìn)行了XRD分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：原始粉體中只有無(wú)定形的SiO2饅頭峰，經(jīng)1 000～1 100 ℃熱處理后，出現(xiàn)γ-Al2O3的衍射峰。熱處理溫度1 200 ℃ 時(shí)，-Al2O3轉(zhuǎn)化為另一種過(guò)渡性亞穩(wěn)態(tài)相(δ，θ)-Al2O3[10]。溫度進(jìn)一步升高至1 300 ℃時(shí)，(δ，θ)-Al2O3和SiO2的衍射峰消失，兩者反應(yīng)生成莫來(lái)石，且衍射峰很強(qiáng)。熱處理溫度1 400 ℃時(shí)，譜圖與1 300 ℃時(shí)基本一致，表明粉體在1 300 ℃已基本完成莫來(lái)石化過(guò)程。因溶膠是按莫來(lái)石的化學(xué)計(jì)量比合成的，故在1 300，1 400 ℃的圖譜中，全部為莫來(lái)石的衍射特征峰，無(wú)富余SiO2或Al2O3的衍射峰。

圖3 凝膠粉經(jīng)不同溫度熱處理后XRD譜圖Fig.3 XRD patterns of gel powders at different temperatures

2.2 復(fù)合材料的制備與性能

本文首先移植了前期研究的三維編織C/Mullite復(fù)合材料的制備工藝(簡(jiǎn)稱工藝A)，但發(fā)現(xiàn)它并不完全適合二維碳布C/Mullite復(fù)合材料，主要是在熱處理過(guò)程中會(huì)造成碳纖維布分層，在層間形成貫穿性的大裂紋，復(fù)合材料的力學(xué)性能不理想。因此，本文對(duì)熱處理過(guò)程進(jìn)行了初步優(yōu)化調(diào)整，形成了工藝B，避免了碳布分層和層間裂紋的產(chǎn)生。

由兩種工藝制得C/Mullite復(fù)合材料截面的光學(xué)照片如圖4所示。由圖4可知：工藝A制備的復(fù)合材料出現(xiàn)了碳布分層現(xiàn)象，在層間出現(xiàn)了貫穿性的大尺寸狹長(zhǎng)型裂紋，這是在熱處理過(guò)程中基體致密化時(shí)的熱應(yīng)力造成的；工藝B制備的復(fù)合材料中，沒(méi)有觀察到這種現(xiàn)象，原因是經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化，明顯降低了基體致密化時(shí)的熱應(yīng)力水平。

圖4 兩種工藝制得C/Mullite復(fù)合材料截面Fig.4 Cross-section of C/Mullite composites via two processes

A、B兩種工藝制得的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度分別為(117.8±14.3)，(210.6±8.9) MPa。由載荷-位移曲線(如圖5所示)可知：工藝A制得的復(fù)合材料在破壞時(shí)最大位移僅約0.35 mm，表現(xiàn)為典型的脆性斷裂模式；工藝B復(fù)合材料的最大位移約1.2 mm，且呈現(xiàn)韌性斷裂模式。

圖5 兩種工藝制得C/Mullite復(fù)合材料的 載荷-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of C/Mullite composites via two processes

兩種工藝制得的C/Mullite復(fù)合材料斷口微觀形貌如圖6所示。由圖6可知：工藝A制得復(fù)合材料的斷口很平整，幾乎無(wú)纖維拔出，表明纖維與基體間的結(jié)合很強(qiáng)，其基體產(chǎn)生的裂紋會(huì)直接切斷纖維，使纖維失去增強(qiáng)增韌的作用；工藝B制得復(fù)合材料的斷口處參差不齊，纖維拔出很明顯，拔出纖維表面附著少量基體，表明纖維與基體間的結(jié)合適中，其纖維能有效阻礙裂紋擴(kuò)展，當(dāng)裂紋傳遞到基體與纖維界面時(shí)，能發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并伴隨界面的脫粘和纖維的拔出，纖維的補(bǔ)強(qiáng)增韌作用可充分發(fā)揮，使復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度和韌性。

圖6 兩種工藝制得C/Mullite復(fù)合材料斷口的 微觀形貌Fig.6 Fracture surfaces of C/Mullite composites via two processes

因此，本文用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的復(fù)合材料制備工藝B，建立了適合碳纖維布疊層縫合結(jié)構(gòu)，獲得了具較佳力學(xué)性能的C/Mullite復(fù)合材料，其表觀密度2.19 g/cm3，總孔隙率約13.4%，開(kāi)孔率約11.3%，四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度210.6 MPa，斷裂韌性11.2 MPa·m1/2，是莫來(lái)石單體陶瓷的4～5倍。

本文對(duì)C/Mullite復(fù)合材料的抗燒蝕性能進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明：燒蝕30 s后的質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率分別達(dá)到0.049 g/s，0.12 mm/s。復(fù)合材料燒蝕前后的光學(xué)照片如圖7所示。由圖7可知：燒蝕后復(fù)合材料表面有白色固體呈輻射狀分布，裸露出碳纖維，在碳纖維表面也有白色球狀顆粒分布，復(fù)合材料的燒蝕程度從邊緣向中心區(qū)域逐步增大。由于高速氣流沖刷的作用，在試樣燒蝕的中心位置，存在較小的燒蝕坑。

圖7 C/Mullite復(fù)合材料燒蝕前后光學(xué)照片F(xiàn)ig.7 Optical photos of C/Mullite composites before and after ablation

火焰中心區(qū)溫度高達(dá)2 727 ℃，而莫來(lái)石的熔點(diǎn)僅1 840 ℃，且在該溫度下會(huì)分解生成熔點(diǎn)分別為2 040 ℃的Al2O3和1 723 ℃的SiO2，因此燒蝕過(guò)程中，在熱流及機(jī)械沖刷的作用下，SiO2的流失非常大。C/Mullite復(fù)合材料燒蝕后表面的微觀形貌以及能譜分析如圖8所示。圖中：O質(zhì)量分?jǐn)?shù)45.61%；Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)47.72%；Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.67%。由圖8可知：在乙炔焰的燒蝕區(qū)域，莫來(lái)石基體被完全燒蝕，纖維完全裸露并呈針狀排列，并有白色球狀物質(zhì)附著在其表面，對(duì)其進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)，該物質(zhì)中Al元素含量高于莫來(lái)石中Al元素的含量，而Si元素的含量較低，說(shuō)明燒蝕過(guò)程導(dǎo)致了莫來(lái)石基體的分解，分解產(chǎn)物SiO2出現(xiàn)大量流失，從而表現(xiàn)出較高的質(zhì)量燒蝕率與線燒蝕率。

圖8 C/Mullite復(fù)合材料燒蝕后表面的 微觀形貌與能譜分析Fig.8 SEM photo and energy spectrum of C/Mullite composites after ablation

3 結(jié)論

本文對(duì)碳纖維增強(qiáng)莫來(lái)石復(fù)合材料的制備和性能進(jìn)行了研究。以高固相含量的Al2O3-SiO2溶膠為原料制備出碳纖維布疊層縫合結(jié)構(gòu)的C/Mullite復(fù)合材料，溶膠性質(zhì)滿足復(fù)合工藝要求且具有較好的燒結(jié)收縮特性，通過(guò)工藝優(yōu)化避免了碳布分層問(wèn)題，獲得四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度210.6 MPa、斷裂韌性11.2 MPa·m1/2的復(fù)合材料。在中心區(qū)溫度2 727 ℃的氧乙炔焰中燒蝕時(shí)，C/Mullite復(fù)合材料的基體因耐溫能力有限而快速分解、熔融并被吹除，碳纖維隨之被氧化，因而呈現(xiàn)出較大的燒蝕率，燒蝕30 s后的質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率分別為0.049 g/s，0.12 mm/s。本文以高固相含量溶膠為原料，通過(guò)工藝優(yōu)化制備出具有較高力學(xué)性能的C/Mullite復(fù)合材料，解決了從溶液出發(fā)技術(shù)路線存在的周期長(zhǎng)、性能低的問(wèn)題，為高效率制備纖維三維立體預(yù)制件增強(qiáng)氧化物復(fù)合材料提供了一種新方法。然而，復(fù)合材料的力學(xué)性能仍有提升空間，后續(xù)可通過(guò)在纖維表面沉積涂層進(jìn)一步提高力學(xué)性能。

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Study on Fabrication and Properties of Carbon Fiber Reinforced Mullite Composites

MA Qing-song1, LI Zhong-quan2, LIANG Song-lin1, XIAO Lv2

(1. Science and Technology on Advanced Ceramic Fiber and Composites Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha 410073, Hunan, China; 2. Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600, China)

Mullite matrix composites reinforced by cabon fiber cloth preform with a laminationand stitching structure were fabricated through the infiltration-drying-heat treatment route using Al2O3-SiO2sol with a 3∶2 stoichiometryas raw materials to solve the problems of traditional fabrication by sol which were low densification, long fabrication period and poor performance. The sintering shrinkage and mullitization of sol were studied, and the fabrication route of C/Mullite composites was optimized preliminary. The ablation behavior in oxyacetylene flame was investigated. The solid content and ceramic yield of sol were 30.7% and 18.3% respectively. The Al2O3-SiO2completely transformed into mullite phase at 1 300 ℃ accompanied by obvious sintering shrinkage. After preliminary optimization, the fabrication route for the composites with obvious penetrating cracks and delamination was established. The as-received C/Mullite composites showed a four-point-bending strength of 210.6 MPa and a fracture toughness of 11.2 MPa·m1/2. It was easy for mullite to be decomposed and be blew off in oxyacetylene flame. Therefore, the composites showed a mass ablation rate of 0.049 g/s and a linear ablation rate of 0.12 mm/s after 30 s ablation.

Mullite; Composites; Carbon fiber; Three-dimensional reinforcement; Sol; Fabrication; Mechanical properties; Ablation

1006-1630(2016)05-0089-06

2016-08-03；

2016-08-15

國(guó)家863計(jì)劃資助(2014AA×××3030,2015AA×××3030)

馬青松(1975—)，男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)樘沾苫鶑?fù)合材料。

TQ174.1

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.05.014