根据增强体的形态可将陶瓷基复合材料分为颗粒增强陶瓷基复合材料、纤维(晶须)增强陶瓷基复合材料、片材增强陶瓷基复合材料等。由于增强体直接关系到复合材料的性能特征,因此其制备也比陶瓷基体更为复杂、要求更高。陶瓷基复合材料的成功制备直接取决于高性能增强体如纤维等的成功制备。由于陶瓷基复合材料的增强体尤以纤维类重要,本节将简述纤维(晶须)类增强体制备技术的相关内容。
碳纤维及其预成型体的制备
碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合物碳。含碳95%左右的称为碳纤维;含碳量99%左右的称为石墨纤维。碳纤维密度小,比强度、比模量大,耐热性和耐腐蚀性好,成本低,批生产量大,是一类极为重要的高性能增强体。
碳纤维主要的制备工艺是先驱体转换法,即将有机纤维(原丝)经过稳定化处理后,再在惰性气氛的高温下热解碳化,形成碳纤维。制备碳纤维的主要原材料自聚丙烯腈(PAN)纤维、人造丝(黏胶纤维)、沥青(pitch)等。碳纤维的制备一般都包括以下三个阶段。
①稳定化处理又称不溶化处理或预氧化处理,目的是使原丝变为不溶不熔,以防止往后来的高温处理中熔融或者粘连,通常在100- 300℃范围内进行。
②碳化热处理 有机化合物在惰性气氛中加热到1000- 2000C时,非碳原子(氮、氧、氧等)将逐步被驱除,碳含量逐步增加,固相间发生一系列脱氢、环化、交联和缩聚等化学反应,此阶段称为脱碳过程,形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。
③石墨化热处理 当温度升到2000- 3000℃时,非碳原子进一步排除,反应形成的六角平面逐步增加,排列也较规则,取向度显著提高,由二维乱层石墨结构向三维自.序结构转化,此阶段称为石墨化过程,形成的石墨纤维弹性模量大大提高。该步骤不是每种碳纤维都必需的。
一般地,采用以上方法制备的碳纤维还需进一步制备成为预成型体,尤其对于制备碳/碳复合材料,其增强体一般都是由碳纤维编织成的预成型体。预成型体足一个多孔体系,含有大量空隙。如三维碳/碳复合材料中常用的22-3结构的预成型体中的纤维含量仅有40%,也就是说其中空隙就占60%。
对于碳/碳复合材料,其预成型体可分为单向、二维和三维,甚至可以是多维方式(见图5-3),大多采用编织方法制备。在制备圆桶、圆锥或圆柱等预成型体时需要采用计算机控制来进行编织。
碳纤维主要的制备工艺是先驱体转换法,即将有机纤维(原丝)经过稳定化处理后,再在惰性气氛的高温下热解碳化,形成碳纤维。制备碳纤维的主要原材料有聚丙烯腈(PAN)纤维、人造丝(黏胶纤维)、沥青(pitch)等。碳纤维的制备一般都包括以下三个阶段。
①稳定化处理又称不溶化处理或预氧化处理,目的是使原丝变为不溶不熔,以防,止在后来的高温处理中熔融或者粘连,通常在100- 300℃范围内进行。
②碳化热处理有机化合物在惰性气氛中加热到1000- 2000 C时,非碳原子(氮、氧、氧等)将逐步被驱除,碳含量逐步增加,固相间发生一系列脱氢、环化、交联和缩聚等化学反应,此阶段称为脱碳过程,形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。
③石墨化热处理 当温度升到2000- 3000℃时,非碳原子进一步排除,反应形成的六角平面逐步增加,排列也较规则,取向度显著提高,由二维乱层石墨结构向三维宵序结构转化,此阶段称为石墨化过程,形成的石墨纤维弹性模量大大提高。陔步骤不是每种碳纤维都必需的。
一般地,采用以上方法制备的碳纤维还需进一步制备成为预成型体,尤其对于制备碳/碳复合材料,其增强体一般都是由碳纤维编织成的预成型体。预成型体是一命多孑L体系,含有大量空隙。如三维碳/碳复合材料中常用的9 2—3结构的预成型体中的纤维含量仅有40%.也就是说其中空隙就占60%。
对于碳/碳复合材料,其预成型体可分为单向、二维和三维,甚至可以是多维方式,大多采用编织方法制备。在制备圆桶、圆锥或圆柱等预成型体时需要采用计算机控制来进行编织。
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本文“先进陶瓷复合材料增强体的制备”由科众陶瓷编辑整理,修订时间:2015-04-11 15:23:17
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