当前课程知识点:复合材料设计与成型 > 9 有机先驱体转化法 > 9.1 概述 > 9.1.1 视频单元
同学们好
接下来,我们学习第九章
有机先驱体转化法
又称为PIP法
首先,来看概述
国家技术发明一等奖在连续空缺了6年以后
2004年同时授予了黄伯云院士和张立同院士
同学们看这两个一等奖题目
高性能炭/炭航空制动材料和耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料
两种材料都是陶瓷基复合材料
一个是飞机刹车片
一个是航空发动机高温结构材料
恰好是陶瓷基复合材料应用的两个典型领域
根据本课程第一部分的讲述
陶瓷基复合材料
简称
CMC
指的是在陶瓷基体中引入第二相材料
使之增强、增韧的多相固体材料
也就是以陶瓷材料为基体的复合材料
陶瓷基体主要有非氧化物陶瓷
氧化物陶瓷、碳
增强相,主要有颗粒、晶须和纤维
例如
碳纤维增强碳化硅复合材料
碳化硅纤维增强碳化硅复合材料
碳化硅增强氮化硅复合材料
碳化硅增强氧化铝复合材料和碳纤维增强碳复合材料等等
复合材料的成型工艺取决于基体材料
而陶瓷基复合材料的基体是陶瓷
因此,陶瓷基复合材料的成型工艺取决于陶瓷
陶瓷材料的特点是以共价键结合
共价键键能很高
要形成强共价键需要提供很高的能量
而要获得高能量,通常最有效的方式就是高温烧结
因此,陶瓷材料主要通过粉体高温烧结成型
工艺步骤主要包括
陶瓷粉体准备,粉体浆料制坯,烘干定型
高温烧结成型和后续加工等
请同学们思考
制备陶瓷基复合材料
增强材料在哪一步里和陶瓷基体复合比较合适
显然
在第二步
粉体浆料制坯的过程中与增强材料复合制备出预成型体
然后烘干定型、高温烧结
就可以得到陶瓷基复合材料
这就是陶瓷和陶瓷基复合材料制备的区别
陶瓷基复合材料典型的制备方法
例如粉末冶金法、泥浆烧铸、反应烧结法
液态(熔融)浸渍法、直接氧化沉积法、溶胶 – 凝胶法
料浆浸渍-热压烧结法、化学气相渗透法和有机先驱体热解法等等
本课程中我们主要介绍后三种
料浆浸渍-热压烧结法、化学气相渗透法和有机先驱体热解法
首先是料浆浸渍-热压烧结法
基本原理如图:连续纤维通过浸胶槽浸渍料浆后缠绕在卷筒上
烘干,切割,得到预浸纤维无纬布
按所需规格裁剪、铺层,合模加压加温
高温热去胶和烧结得到陶瓷基复合材料
整个工艺流程,前半部分是缠绕制备预浸料
而后半部分是高温热去胶和高温烧结
这里的浆料组成
包括陶瓷粉末、载液、有机粘接剂、促进剂和润湿剂等
其中,陶瓷粉体的粒径应小于纤维直径
增强纤维应选择容易分散的无捻或低捻纤维纱
值得注意的是
烧结反应:热压烧结过程中往往没有直接发生化学反应
而依靠系统表面能减少来驱动
使疏松粉体熔接达到致密化
料浆浸渍-热压烧结法的关键工艺参数是温度和压力
烧结温度通常是分阶段温度
决定陶瓷化过程
压力则直接影响制品的致密性
如图,无压、热压和热等静压中
热等静压的制品
外观质量明显优于前两种
料浆浸渍-热压烧结法的技术特点
优点是:烧结温度低、时间短
制品致密度高,接近理论值
缺点是:适合于单件制备,制品面内和面外性能差别显著
纤维与基体的比例较难控制
主要应用于纤维单向或双向增强复合材料的制造
这是料浆浸渍-热压烧结法
接下来,学习化学气相渗透法
又称为CVI法
类似于化学气相沉积方法
设备系统如右图
包括进气系统、化学气相沉积反应器
加热基底、导入反应气体系统和尾气处理系统
这种方法又分为等温化学气相渗透和强力化学气相渗透
等温化学气相渗透原理如图
反应气体由底部入口导入
在纤维预成型体上沉积转化为陶瓷基体
制备得到陶瓷基复合材料
而强力化学气相渗透法的原理如右图
纤维预制件底部处于冷态
顶部处于以石墨坩埚底部热区
底部和顶部存在陡峭的温差
由底部通入反应物气体
自下而上渗透,到达顶部高温区发生反应
生成陶瓷基体
沉积在顶部逐渐形成致密的陶瓷基复合材料
顶部热传导增加
热区向下移,直至底部
最终得到致密的纤维增强陶瓷基复合材料
典型案例
例如,三氯甲基硅烷和氢气反应
生产碳化硅基体沉积在纤维预成型体中
制备得到纤维增强碳化硅复合材料
图中
是纤维预成型体与CVI复合材料制品的对比
可以明显的看出两者的区别
化学气相渗透法的技术特点
优点是
低温成型,纤维不易损伤
近净成型,制品形状和尺寸精度高
无外压,纤维的取向保持不变
气态先驱体,便于利用
缺点是
制品孔隙率高
气态先驱体,仅适于制造化学成分简单的陶瓷基复合材料
目前只有碳化硅基的复合材料能以化学气相沉积法进行工业规模生产
用于航空和航天领域
-1.1 课程简介及复合材料定义
--1.1.2 作业
--1.1.3讨论
-1.2 复合材料的命名与分类
--1.2.2 作业
-1.3 复合材料的特点
--1.3.2 作业
-1.4 复合材料的应用
--1.4.2 作业
--1 引言 课件
-2.1 颗粒增强原理
--2.1.2 作业
-2.2 短纤维增强原理
--2.2.2 作业
-2.3 界面效应
--2.3.2 作业
-2.4 复合材料界面
--2.4.2 作业
-2.5 复合材料界面表征与分析
--2.5.2 作业
-3.1 增强材料概述
--3.1.2 作业
-3.2 玻璃纤维概述、生产工艺、成分与结构
--3.2.2 作业
-3.3 玻璃纤维的性能、制品与规格
--3.3.2 作业
-3.4 碳纤维概述
--3.4.2 作业
-3.5 碳纤维的制备工艺
--3.5.2 作业
-3.6 碳纤维的结构、性能、制品与规格
--3.6.2 作业
-3.7 芳纶纤维
--3.7.2 作业
-4.1 聚合物概述
--4.1.2 作业
-4.2 聚酯概述、化学结构、合成与交联
--4.2.2 作业
-4.3 聚酯的性能与应用
--4.3.2 作业
-4.4 环氧树脂概述、化学结构、合成与表征
--4.4.2 作业
-4.5 环氧树脂的交联、性能与应用
--4.5.2 作业
-4.6 酚醛树脂及其他热固性树脂
--4.6.2 作业
-4.7 热塑性树脂及聚合物基复合材料的应用
--4.7.2 作业
-5.1 陶瓷及陶瓷基复合材料概述
--5.1.2 作业
-5.2 陶瓷基复合材料成型工艺
--5.2.2 作业
-5.3 陶瓷基复合材料的界面及强韧化
--5.3.2 作业
-5.4 碳碳复合材料及陶瓷基复合材料的应用
--5.4.2 作业
-6.1 金属基体
--6.1.2 作业
-6.2 金属基复合材料成型工艺
--6.2.2 作业
-6.3 金属基复合材料的界面
--6.3.2 作业
-6.4 金属基复合材料的性能与应用
--6.4.2 作业
-1.2 作业
-2.1 应力与应变
--2.1.2 作业
-2.2 广义胡克定律
--2.2.2 作业
-2.3 工程常数、平面应力状态、应力应变转换
--2.3.2 作业
-3.1 单向板的正轴刚度、刚度柔度变换
--3.1.2 作业
-3.2 倍角变换、偏轴工程常数
--3.2.2 作业
-4.1 层合板的代号、面内刚度
--4.1.2 作业
-4.2 典型层合板的面内刚度
--4.2.2 作业
-4.3 层合板的弯曲刚度
--4.3.2 作业
-4.4 单向层合板、对称层合板及夹芯结构的弯曲刚度
--4.4.2 作业
-5.1 最大应力与最大应变准则
--5.1.2 作业
-5.2 蔡-希尔、蔡-吴强度准则
--5.2.2 作业
-5.3 层合板的强度分析
--5.3.2 作业
-5.4 层合板的极限强度
--5.4.2 作业
-6.1 细观力学引言、平均性质
--6.1.2 作业
-6.2 单向板的工程常数
--6.2.2 作业
-6.3 单向板的强度
--6.3.2 作业
-6.4 热膨胀与湿溶胀系数
--6.4.2 作业
-6.5 层合板的残余应力
--6.5.2 作业
-7.1 复合材料结构控制方程
--7.1.2 作业
-7.2 简单构型复合材料一维受力构件的力学分析
--7.2.2 作业
-8.1 复合材料层合梁
--8.1.2 作业
-8.2 复合材料板梁
--8.2.2 作业
-8.3 复合材料薄壁梁
--8.3.2 作业
-1.1 绪论
--1.1.2 作业
--1.1.3 讨论
-2.1 手糊基本原理
--2.1.2 作业
-2.2 树脂对纤维的润湿(上)
--2.2.2 作业
-2.3 树脂对纤维的润湿(下)
--2.3.2 作业
-2.4 手糊技术进展和典型应用
--2.4.2 作业
-3.1 RTM基本原理
--3.1.2 作业
-3.2 树脂渗流规律
--3.2.2 作业
-3.3 树脂流动模拟分析
--3.3.2 作业
-3.4 RTM技术发展和典型应用
--3.4.2 作业
-4.1 RFI基本原理
--4.1.2 作业
-4.2 RFI树脂膜体系
--4.2.2 作业
-4.3 树脂固化制度的确定和RFI典型应用
--4.3.2 作业
-5.1 VIMP基本原理
--5.1.2 作业
-5.2 树脂的粘度特性
--5.2.2 作业
-5.3 纤维预成型体的渗透特性和VIMP典型应用
--5.3.2 作业
-6.1 拉挤基本原理
--6.1.2 作业
-6.2 拉挤内脱模剂
--6.2.2 作业
-6.3 拉挤技术发展和典型应用
--6.3.2 作业
-7.1 缠绕基本原理
--7.1.2 作业
-7.2 缠绕线型规律
--7.2.2 作业
-7.3 缠绕工艺参数、技术发展和典型应用
--7.3.2 作业
-8.1 模压基本原理和模压料工艺性
--8.1.2 作业
-8.2 SMC片状模塑料
--8.2.2 作业
-8.3 模压关键工艺参数和典型应用
--8.3.2 作业
-9.1 概述
--9.1.2 作业
-9.2 PIP基本原理
--9.2.2 作业
-9.3 PIP关键步骤
--9.3.2 作业
-9.4 致密化和典型应用
--9.4.2 作业
-课程考试
