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PIP工艺制备C_f/SiC复合材料孔隙结构及其传热传质特性研究

2020-11-28阅读(616)

PIP工艺制备C_f/SiC复合材料孔隙结构及其传热传质特性研究

论文摘要

先驱体浸渍—裂解（PIP）工艺制备的Cf/SiC复合材料内部孔隙率可达10～20vol.%,孔隙是除纤维、基体、界面外Cf/SiC复合材料的又一重要组分,直接影响材料的力学、抗氧化、传热、传质等性能,并赋予复合材料许多潜在功能。本文以PIP-Cf/SiC复合材料孔隙结构为对象,开展孔隙表征、控制及应用技术研究。旨在建立一套适合其特点的综合表征体系,实现对孔隙结构的准确、全面描述;探明工艺因素对孔隙形成的影响规律,总结行之有效的控制方法;并以主动冷却防热结构为背景,建立孔隙结构与PIP-Cf/SiC复合材料传热、传质性能间的本构关系与预测模型,为深化PIP-Cf/SiC复合材料理论研究,拓展其应用领域奠定基础。根据PIP-Cf/SiC复合材料的孔隙结构及使用特点,对多孔介质已有表征手段进行筛选、改进,首次建立了适合PIP-Cf/SiC复合材料的一套表征方法,即综合压汞（MIP）、等温吸附（BET）、扫描电镜（SEM）及气泡法等手段表征PIP-Cf/SiC复合材料的孔隙率、比表面、孔隙形貌、孔隙尺寸及分布、孔隙拓扑结构（分形特征）等特征,建立了孔隙结构物理模型。通过研究三维编织物（3D）、“二维半”编织物（2.5D）及二维叠层碳布（2D）增强的PIP-Cf/SiC复合材料孔隙结构发现,各织构复合材料的孔隙存在若干共性特征,如主体结构呈“孔道/喉—孔腔”二元模式,纳米微孔在各类材料中普遍存在,贯通孔仅占全部孔隙的一部分等;但在孔隙尺寸、形状、含量、连通性等方面,纤维增强体的织构方式具有决定性影响:例如在孔隙率方面,2.5D-Cf/SiC的最高,三维四向编织物（3D4d）次之,三维五向织物（3D5d）最低,而二维碳布叠层（2D）复合材料介于两种三维编织物之间。孔隙空间结构方面,3D-Cf/SiC复合材料内部孔隙呈三维网络,主要包括百微米级纤维束间孔腔（pore chambers）,几微米至几十微米的纤维束间孔道（pore channels/throats）以及纳米级微孔（micro-pores/cracks）等三类,纤维束间孔道不但沟通了各个孔腔,也连接了更小的纳米微孔。2.5D-Cf/SiC与2D-Cf/SiC复合材料孔隙呈现二维层状特征,其连通性具有明显的各向异性特征。此外,织构上的差别还导致3D4d-Cf/SiC、3D5d-Cf/SiC、2.5D-Cf/SiC及2D-Cf/SiC复合材料内的孔腔、孔道、纳米孔及贯通孔含量存在较大差异。对表面特征研究表明,不同织构PIP-Cf/SiC复合材料比表面均不高,属非多孔固体的水平,但与吸附质（N2）作用较大,且由于孔尺寸分布范围广泛,吸附等温线均呈Ⅱ类反S型,上述特征均与复合材料内部纳米微孔含量及分布密不可分。通过对不同制备周期中间体的跟踪表征,首次研究了PIP-Cf/SiC复合材料的孔隙结构随制备进行的演化过程,发现SiC基体优先在3D复合材料的纤维束间孔道填充,但当致密度达到一定水平后,孔道体积未继续下降,而以孔腔填充为主;相反,2.5D和2D-Cf/SiC复合材料在经纬纱交叠处的孔隙尺寸在制备初期既已形成,两者的层间孔腔是后续基体填充的主要对象,孔隙空间连通性也随制备相应演化;受所含纳米微孔含量变化影响,各类复合材料的比表面演化情况也不同,但其孔隙表面粗糙程度基本接近,均由织物表面覆盖的SiC颗粒所贡献。系统研究了浸渍工艺参数（浸渍液类型、浸渍压力、时间等）对孔隙结构的影响。结果表明,以硅油（PSO）为代表的具有低粘度、良好浸润性及受热交联的浸渍液体系填充增强体织物内部空间的能力较强,致密化效率高于聚碳硅烷（PCS）/Xylene/SiCp（泥浆）、PCS/DVB及PCS/Xylene体系,制得复合材料的孔隙率低于5%,孔隙以20～0.1μm的基体内微裂纹为主。浸渍压力对浸渍不同尺寸孔隙的促进效果是不同的,对于0.1μm以下微裂纹,需要对浸渍液施加较高的外界压力（4MPa以上）方能实现克服浸渍阻力,提高浸渍效率的目的。目前使用的PCS/Xylene,PCS/Xylene/SiCp,PCS/DVB以及PSO浸渍液体系均能与碳纤维织物较好的浸润,保持现有浸渍时间,各类浸渍液均能够深入织物内部,对织物内主要孔隙进行充分填充。通过气体透过法研究了PIP-Cf/SiC复合材料的渗流传质特性。结果显示,气体（N2）在各类织构Cf/SiC复合材料中渗流时的流态包括层流、非层流及滑流,流态转变的临界压力受材料致密度、增强体织构、浸渍液类型等因素影响。PIP-Cf/SiC复合材料内的贯通孔结构是控制气体渗流关键因素。气泡法能够测定这些渗流的通道的分布函数α（D）,结合并联（或串联）毛细管模型能够有效预测Cf/SiC复合材料的气体渗透系数K。不同织构Cf/SiC复合材料的K与其总孔隙率Φ间并无直接联系,各类Cf/SiC复合材料按其渗透能力高低排列为:3D4d-Cf/SiC＞2D-Cf/SiC＞3D5d-Cf/SiC＞2.5D-Cf/SiC,其中3D4d-Cf/SiC的K值可达10-14m2,但织构一定的条件下,致密度提高能够有效降低复合材料的渗透系数。此外,浸渍PSO,PCS/DVB,PCS/Xylene/SiCp及PCS/Xylene体系制备的3D复合材料的按其渗透系数大小可排序为:Cf/SiC/Si-O-C＜Cf/SiC/C＜Cf/SiC/SiCp＜Cf/SiC,3D-Cf/SiC/Si-O-C的气体渗透系数仅为10-18m2左右。采用有效当量法研究了PIP-Cf/SiC复合材料的热物理性能。室温下,3D-Cf/SiC复合材料的比热容为0.74J/（g·K）,随温度升高而升高;热扩散系数为0.0183cm2/s,随温度升高线性降低;有效导热系数Keff室温时为2.45W/（m·K）,且随温度正向变化;半球全发射率为0.75（80～90℃）。有效导热系数Keff反映了Cf/SiC复合材料固体骨架（纤维,基体）的声子导热及孔隙的辐射换热的综合传热效果,特别在高温下,后者的传热贡献能够弥补导热量下降,导致PIP-Cf/SiC复合材料的Keff随温度提高反而增大。通过研究PIP-Cf/SiC热物理性能的影响因素发现,先驱体转化SiC基体的有效导热系数不高（1.56～1.47 W/m/K,RT～700℃）是导致Cf/SiC复合材料整体传热水平不高的重要原因之一,这与其内部裂纹缺陷及晶体结构发育不完全有关。此外,增强体织构决定了固体骨架及孔隙排布,对Cf/SiC复合材料内导热及辐射换热机制具有显著影响。对于本文C纤维热导率远高于SiC基体的情况,Cf/SiC复合材料在某一方向的有效导热系数与织物在该向纤维体积含量成正比。由于孔隙辐射换热的差异,致密度对各类织构Cf/SiC复合材料的传热性能影响各不相同,如对3D复合材料而言,孔隙率降至15%以下,继续致密化非但不能提高导热系数,反而使其略有下降;而2.5D织物增强复合材料的Keff却随致密度持续提高。由H-J模型计算的PIP-Cf/SiC复合材料界面接触热阻与文献报道值吻合,但高于CVI-Cf/SiC。界面接触热阻与增强体织构、纤维种类关系不大,而主要受制备工艺的影响,升温能使界面间隙部分愈合,导致热阻有所降低。

论文目录

  • 表目录
  • 图目录
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 热结构材料研究背景
  • 1.2 纤维增强陶瓷基复合材料（FRCMCs）概述
  • f/SiC复合材料的研究和应用'>1.3 Cf/SiC复合材料的研究和应用
  • f/SiC复合材料的应用研究'>1.3.1 Cf/SiC复合材料的应用研究
  • f/SiC复合材料的制备工艺'>1.3.2 Cf/SiC复合材料的制备工艺
  • f/SiC复合材料孔隙特征'>1.4 PIP法制备Cf/SiC复合材料孔隙特征
  • f/SiC复合材料内部的孔隙成因'>1.4.1 PIP-Cf/SiC复合材料内部的孔隙成因
  • f/SiC复合材料性能的影响'>1.4.2 孔隙对Cf/SiC复合材料性能的影响
  • f/SiC复合材料孔隙结构研究现状'>1.4.3 Cf/SiC复合材料孔隙结构研究现状
  • f/SiC复合材料孔隙结构应用现状及前景'>1.4.4 Cf/SiC复合材料孔隙结构应用现状及前景
  • 1.5 论文选题依据及研究内容
  • 第二章 实验与研究方法
  • 2.1 实验用原材料
  • 2.1.1 增强纤维
  • 2.1.2 陶瓷先驱体
  • 2.1.3 试剂与填料
  • 2.2 实验过程
  • 2.3 结构及性能测试
  • 2.3.1 孔隙结构表征
  • 2.3.2 气体渗透性测试
  • 2.3.3 热物理性能测定
  • f/SiC复合材料孔隙表征方法及典型结构研究'>第三章 Cf/SiC复合材料孔隙表征方法及典型结构研究
  • 3.1 孔隙分类与结构特征
  • 3.1.1 孔隙分类
  • 3.1.2 孔隙结构特征参数
  • 3.2 多孔材料孔隙结构常用表征手段
  • 3.2.1 孔隙率
  • 3.2.2 孔隙形貌
  • 3.2.3 孔隙尺寸及分布
  • 3.2.4 比表面积
  • 3.2.5 分形特征
  • f/SiC复合材料孔隙结构初步分析'>3.3 PIP工艺Cf/SiC复合材料孔隙结构初步分析
  • f/SiC复合材料孔隙结构概况'>3.3.1 PIP-Cf/SiC复合材料孔隙结构概况
  • f/SiC复合材料孔隙结构分类及成因'>3.3.2 PIP-Cf/SiC复合材料孔隙结构分类及成因
  • f/SiC复合材料孔隙结构表征方法'>3.4 PIP-Cf/SiC复合材料孔隙结构表征方法
  • 3.4.1 孔隙率
  • 3.4.2 孔隙形貌
  • 3.4.3 孔隙尺寸及分布
  • 3.4.4 孔隙表面积及分布
  • 3.4.5 分形特征
  • f/SiC复合材料孔隙结构综合表征方法'>3.4.6 Cf/SiC复合材料孔隙结构综合表征方法
  • f/SiC复合材料的典型孔隙结构'>3.5 PIP-3D-Cf/SiC复合材料的典型孔隙结构
  • 3.5.1 毛细管压力曲线
  • 3.5.2 孔隙形貌与尺寸分布（PSD）
  • 3.5.3 孔表面积分布
  • 3.5.4 孔隙空间特征
  • 3.5.5 孔结构演化
  • 3.6 本章小结
  • f/SiC复合材料孔隙结构的影响因素及控制方法'>第四章 Cf/SiC复合材料孔隙结构的影响因素及控制方法
  • f/SiC复合材料孔隙结构的影响'>4.1 增强体织构对Cf/SiC复合材料孔隙结构的影响
  • 4.1.1 不同织构方式织物的空间结构
  • f/SiC复合材料基本孔隙结构'>4.1.2 各种织构Cf/SiC复合材料基本孔隙结构
  • 4.1.3 孔尺寸及其分布
  • 4.1.4 表面特征与吸附特性
  • 4.1.5 孔隙空间特征
  • f/SiC复合材料内部孔隙结构模型'>4.1.6 Cf/SiC复合材料内部孔隙结构模型
  • 4.2 孔隙结构随制备进行的演化情况
  • 4.2.1 孔尺寸分布演化情况
  • 4.2.2 表面状态演化情况
  • 4.2.3 孔隙空间结构特征演化情况
  • f/SiC复合材料孔隙结构的影响'>4.3 浸渍工艺对Cf/SiC复合材料孔隙结构的影响
  • 4.3.1 浸渍液类型对孔隙结构的影响
  • 4.3.2 浸渍压力对孔隙结构的影响
  • f/SiC复合材料孔隙结构控制方法'>4.4 Cf/SiC复合材料孔隙结构控制方法
  • 4.5 本章小结
  • f/SiC复合材料孔隙结构与渗透性能关系'>第五章 Cf/SiC复合材料孔隙结构与渗透性能关系
  • 5.1 多孔介质渗流的理论基础
  • 5.1.1 研究尺度
  • 5.1.2 多孔介质中的流体流动状态
  • 5.1.3 多孔介质的透过性能
  • 5.1.4 多孔介质的渗流模型
  • f/SiC复合材料渗透性测试'>5.2 Cf/SiC复合材料渗透性测试
  • f/SiC复合材料的流动状态'>5.3 气体通过Cf/SiC复合材料的流动状态
  • f/SiC复合材料渗流性质的孔隙结构特征'>5.4 影响Cf/SiC复合材料渗流性质的孔隙结构特征
  • f/SiC复合材料的渗透系数K'>5.4.1 Cf/SiC复合材料的渗透系数K
  • f/SiC复合材料渗流性质的影响'>5.4.2 孔隙结构特征对Cf/SiC复合材料渗流性质的影响
  • f/SiC复合材料渗流特性的影响因素'>5.5 Cf/SiC复合材料渗流特性的影响因素
  • 5.5.1 增强体织构
  • 5.5.2 致密化程度
  • 5.5.3 浸渍液类型
  • 5.6 本章小结
  • f/SiC复合材料孔隙结构与热物理性能的关系'>第六章 Cf/SiC复合材料孔隙结构与热物理性能的关系
  • 6.1 多孔介质传热研究概述
  • f/SiC复合材料的热物理性能'>6.2 3D-Cf/SiC复合材料的热物理性能
  • p'>6.2.1 比热容,Cp
  • 6.2.2 热扩散系数,Thermal Diffusivity（TD,α）
  • eff)'>6.2.3 有效导热系数,Effective Thermal Conductivity(ETC,keff)
  • 6.2.4 发射率,Emissivity（ε）
  • f/SiC复合材料的热物理性能的微观结构因素'>6.3 影响Cf/SiC复合材料的热物理性能的微观结构因素
  • 6.3.1 基体SiC
  • 6.3.2 增强体织构
  • 6.3.3 致密化程度
  • 6.3.4 纤维-基体界面结合状态
  • f/SiC复合材料的热物性设计'>6.4 PIP-Cf/SiC复合材料的热物性设计
  • 6.5 本章小结
  • 结论
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者在学期间取得的学术成果

    • 相关论文文献

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