碳化硅陶瓷基复合材料及其激光刻蚀技术研究.pdfVIP

目录

一、碳化硅陶瓷基复合材料

1.1碳化硅陶瓷基复合材料的性能特征

1.2碳化硅陶瓷基复合材料的技术研究分析

二、碳化硅陶瓷基复合材料激光刻蚀技术

2.1CMC碳化硅与激光相互作用的机理

2.2连续及长脉冲激光加工中的典型热致缺陷

2.3CMC碳化硅的超短脉冲激光加工

2.4激光加工工艺优化

1

2.5激光加工技术的发展趋势

2.6总结

一、碳化硅陶瓷基复合材料

1.1碳化硅陶瓷基复合材料的性能特征

碳化硅陶瓷基复合材料作为陶瓷基复合材料中的一个重要结构体系，主要包含

碳纤维/碳化硅与碳颗粒/碳化硅陶瓷基复合材料两种类型，其中，碳纤维/碳化硅陶

瓷基复合材料在材料加工与制备中是通过碳纤维实现碳化硅陶瓷材料的强度与韧性

增加和提升，从而对陶瓷材料的脆性特征进行改善，使其具备高温结构材料所必备

的性能，具有较好的耐高温与抗氧化、耐腐蚀等特性；碳颗粒/碳化硅陶瓷基复合材

料则是以碳颗粒实现碳化硅陶瓷基材料的硬度降低，从而对其材料的可加工性能进

行改善，使其具备相应的耐腐蚀与抗氧化、自润滑等高温结构材料特征。

值得注意的是，由于陶瓷基复合材料的性能与其材料结构之间具有密切的关系，

不同原材料与结构形式、制备工艺下的陶瓷基复合材料的性能也存在较大的差別，

一般情况下，复合材料的材料组成成分主要包括纤维、机体与界面等，其中，界面

材料与结构对碳化硅陶瓷基复合材料的性能有着十分关键的作用和影响。陶瓷基复

合材料的性能包含物理化学性能与力学性能等，其中，材料密度以及线膨胀系数、

热扩散系数、比热容、热导率、孔隙率、抗氧化性等【1】，属于材料的物理化学性

能部分，而强度与模量、疲劳、抗热震性、高温绩动性、断裂韧性、耐烧蚀性等，

属于陶瓷基复合材料的力学性能部分。有研究显示，通过对碳化硅陶瓷基复合材料

的基体进行改性优化与重新设计后，能够进行2DC/C-碳化硅复合材料制备，并且所

研制材料的抗弯强度在2D碳-碳化硅材料之上，其材料断裂韧性得到明显改善提升，

整个复合材料的基体改性效果十分明显。

2.2碳化硅陶瓷基复合材料的技术研究分析

1

结合当前对碳化硅陶瓷基复合材料制备技术的研究现状，对其当前在实际加工

与生产领域中应用实现的主要制备技术可以从以下方面进行分析。即为前驱体有机

聚合浸渍热解转化技术，它在陶瓷基复合材料加工与制备中的应用是作为上世纪研

究提出的新型工艺技术形式，在实际加工与生产制备应用中通过进行前驱体有机聚

合物合成后，利用纤维预制体在前驱体溶液中的漫渍，使其在一定条件实现交联固

化，并通过温度与环境作用向陶瓷基体热解转化，最终在这种反复浸渍与热解作用

下实现具有较好致密性的陶瓷基复合材料获取。值得注意的是，前驱体有机聚合物

浸渍热解转化技术在陶瓷基复合材料加工与制备中应用，所制备材料的孔隙率较高，

且材料体积变形作用较大，同时进行材料加工的工艺周期也比较长，导致生长效率

较低，材料加工制备的工艺成本较高，在实际加工与制备中推广应用局限性

二、碳化硅陶瓷基复合材料激光刻蚀技术

2.1CMC碳化硅与激光相互作用的机理

CMC碳化硅主要由最外侧的碳化硅层和内部的碳化硅基体、纤维及界面层组

成，在纤维编织结构中还包含许多微小孔隙，复杂的材料结构致使CMC碳化硅在激

光加工过程中会产生与一般均质材料不同的物理和化学变化。在纤维增强复合材料

与激光相互作用机理方面，国内外学者基于理论与实验进行了大量探索。吴恩启等

【2】理论研究了碳纤维增强复合材料的热传导规律，推导出了复合材料内部纤维束

平面内热扩散系数与相位梯度的关系。纤维编织复合材料具有各向异性的特点,纤维

束方向会直接影响热传导规律，且复合材料的热扩散系数与编织方式和基体材料分

布相关。奥哈利等【3】研究了高能量激光对碳纤维增强复合材料的烧蚀机制，发现

碳纤维增强复合材料对激光辐照产生的热量具有