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先進(jìn)陶瓷復(fù)合材料增強(qiáng)體的制備

陶瓷基復(fù)合材料分為顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料、纖維(晶須)增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料、片材增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料!
        根據(jù)增強(qiáng)體的形態(tài)可將陶瓷基復(fù)合材料分為顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料、纖維(晶須)增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料、片材增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料等。由于增強(qiáng)體直接關(guān)系到復(fù)合材料的性能特征,因此其制備也比陶瓷基體更為復(fù)雜、要求更高。陶瓷基復(fù)合材料的成功制備直接取決于高性能增強(qiáng)體如纖維等的成功制備。由于陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)體尤以纖維類(lèi)重要,本節(jié)將簡(jiǎn)述纖維(晶須)類(lèi)增強(qiáng)體制備技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。


碳纖維及其預(yù)成型體的制備
        碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀聚合物碳。含碳95%左右的稱為碳纖維;含碳量99%左右的稱為石墨纖維。碳纖維密度小,比強(qiáng)度、比模量大,耐熱性和耐腐蝕性好,成本低,批生產(chǎn)量大,是一類(lèi)極為重要的高性能增強(qiáng)體。
        碳纖維主要的制備工藝是先驅(qū)體轉(zhuǎn)換法,即將有機(jī)纖維(原絲)經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理后,再在惰性氣氛的高溫下熱解碳化,形成碳纖維。制備碳纖維的主要原材料自聚丙烯腈(PAN)纖維、人造絲(黏膠纖維)、瀝青(pitch)等。碳纖維的制備一般都包括以下三個(gè)階段。
        ①穩(wěn)定化處理又稱不溶化處理或預(yù)氧化處理,目的是使原絲變?yōu)椴蝗懿蝗?,以防止往后?lái)的高溫處理中熔融或者粘連,通常在100- 300℃范圍內(nèi)進(jìn)行。
        ②碳化熱處理  有機(jī)化合物在惰性氣氛中加熱到1000- 2000C時(shí),非碳原子(氮、氧、氧等)將逐步被驅(qū)除,碳含量逐步增加,固相間發(fā)生一系列脫氫、環(huán)化、交聯(lián)和縮聚等化學(xué)反應(yīng),此階段稱為脫碳過(guò)程,形成由小的亂層石墨晶體組成的碳纖維。
        ③石墨化熱處理  當(dāng)溫度升到2000- 3000℃時(shí),非碳原子進(jìn)一步排除,反應(yīng)形成的六角平面逐步增加,排列也較規(guī)則,取向度顯著提高,由二維亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維自.序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化,此階段稱為石墨化過(guò)程,形成的石墨纖維彈性模量大大提高。該步驟不是每種碳纖維都必需的。
        一般地,采用以上方法制備的碳纖維還需進(jìn)一步制備成為預(yù)成型體,尤其對(duì)于制備碳/碳復(fù)合材料,其增強(qiáng)體一般都是由碳纖維編織成的預(yù)成型體。預(yù)成型體足一個(gè)多孔體系,含有大量空隙。如三維碳/碳復(fù)合材料中常用的22-3結(jié)構(gòu)的預(yù)成型體中的纖維含量?jī)H有40%,也就是說(shuō)其中空隙就占60%。
        對(duì)于碳/碳復(fù)合材料,其預(yù)成型體可分為單向、二維和三維,甚至可以是多維方式(見(jiàn)圖5-3),大多采用編織方法制備。在制備圓桶、圓錐或圓柱等預(yù)成型體時(shí)需要采用計(jì)算機(jī)控制來(lái)進(jìn)行編織。
        碳纖維主要的制備工藝是先驅(qū)體轉(zhuǎn)換法,即將有機(jī)纖維(原絲)經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理后,再在惰性氣氛的高溫下熱解碳化,形成碳纖維。制備碳纖維的主要原材料有聚丙烯腈(PAN)纖維、人造絲(黏膠纖維)、瀝青(pitch)等。碳纖維的制備一般都包括以下三個(gè)階段。
        ①穩(wěn)定化處理又稱不溶化處理或預(yù)氧化處理,目的是使原絲變?yōu)椴蝗懿蝗?,以防,止在后?lái)的高溫處理中熔融或者粘連,通常在100- 300℃范圍內(nèi)進(jìn)行。
        ②碳化熱處理有機(jī)化合物在惰性氣氛中加熱到1000- 2000 C時(shí),非碳原子(氮、氧、氧等)將逐步被驅(qū)除,碳含量逐步增加,固相間發(fā)生一系列脫氫、環(huán)化、交聯(lián)和縮聚等化學(xué)反應(yīng),此階段稱為脫碳過(guò)程,形成由小的亂層石墨晶體組成的碳纖維。
        ③石墨化熱處理  當(dāng)溫度升到2000- 3000℃時(shí),非碳原子進(jìn)一步排除,反應(yīng)形成的六角平面逐步增加,排列也較規(guī)則,取向度顯著提高,由二維亂層石墨結(jié)構(gòu)向三維宵序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化,此階段稱為石墨化過(guò)程,形成的石墨纖維彈性模量大大提高。陔步驟不是每種碳纖維都必需的。
        一般地,采用以上方法制備的碳纖維還需進(jìn)一步制備成為預(yù)成型體,尤其對(duì)于制備碳/碳復(fù)合材料,其增強(qiáng)體一般都是由碳纖維編織成的預(yù)成型體。預(yù)成型體是一命多孑L體系,含有大量空隙。如三維碳/碳復(fù)合材料中常用的9 2—3結(jié)構(gòu)的預(yù)成型體中的纖維含量?jī)H有40%.也就是說(shuō)其中空隙就占60%。
        對(duì)于碳/碳復(fù)合材料,其預(yù)成型體可分為單向、二維和三維,甚至可以是多維方式,大多采用編織方法制備。在制備圓桶、圓錐或圓柱等預(yù)成型體時(shí)需要采用計(jì)算機(jī)控制來(lái)進(jìn)行編織。


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本文“先進(jìn)陶瓷復(fù)合材料增強(qiáng)體的制備”由科眾陶瓷編輯整理,修訂時(shí)間:2015-04-11 15:23:17
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