Интерфейсные покрытия на армирующих углеродных и карбидокремниевых волокнах для композитов с керамической матрицей

• Автор: Бакланова, Наталья Ивановна
• Шифр специальности: 02.00.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 380 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Литературный обзор

Компоненты высокотемпературных композиционных материалов с керамической матрицей назначение, способы формирования, свойства

1Л. Углеродные волокна

1. 1 .1. Получение

1 Л.2. Свойства

1.2. Карбидокремнисвые волокна

1.2.1. Получение

1.2.2. Свойства

1.3. Керамическая матрица

1.3 Л. Методы формирования матрицы на основе карбида кремния

1.3.2. Другие керамические матрицы
1.3.3. Свойства керамических композитов, армированных волокнами
1.4. Интерфаза
1.4.1. Ведение. История вопроса
1.4.2. Функции интерфазы
1.4.3. Интерфейсные покрытия на углеродных волокнах
1.4.4. Интерфейсные покрытия на вЮ волокнах
1.5. Выводыи постановка задачи 4 Глава 2. Формирование интерфейсных покрытий из тугоплавких карбидов металлов на волокнах методом реакционного осаждения
из газовой фазы ЯСУО
2.1. Физикохимическое изучение образования интерфейсных карбидных покрытий на углеродных волокнах методом ЯСУИ
2.1 Л. Термодинамический расчет гетерогенных равновесий в
системе тантал углерод хлор
2.1.2. Экспериментальное изучение формирования карбидных
покрытий на углеродных волокнах в условиях изотермического химического транспорта
2.1.2.1. Исходные вещества, их подготовка, реакторы, методика нанесения карбидных покрытий
2.1.2.2. Методы контроля волокон и покрытий
2.1.2.3. Результаты по нанесению карбидных покрытий на углеродные волокна
2.2. Физикохимическое изучение образования интерфейсных карбидных покрытий на карбидокремииевых волокнах
2.3. Выводы 2 Глава 3. Формирование интерфейсных оксидных покрытий на
армирующих волокнах из гидратированных прекурсоров
3.1. Введение
3.2. Физикохимическое изучение образования интерфейсных покрытий
на карбидокремниевых волокнах зольгель методом
3.2.1. Водные золи гидратированных оксидов
3.2.1.1. Экспериментальная часть
3.2.1.2. Результаты
3.2.2. Водноспиртовые золи
3.2.2.1. Экспериментальная часть
3.2.2.2. Результаты
3.3. Углеродные волокна
3.4. Выводы
Глава 4. Функциональные свойства модифицированных волокон
4.1. Топографические характеристики модифицированных волокон
4.1.1. Модифицированные углеродные волокна
4.1 .Модифицированные карбидокремниевые волокна
4.2. Механическая прочность индивидуальных волокон на растяжение
4.3. Окислительная устойчивость модифицированных волокон
4.3.1. вЮ волокна
4.3.1.1. i волокна с карбидными покрытиями
4.3.1.2. i волокна с оксидными покрытиями
4.3.2. Углеродные волокна с карбидными покрытиями
4.4. Выводы
Глава 5. Механизм превращения кремнийорганических
полиненасыщенных полимеров в iсодержащие фазы
5.1. Введение
5.2. Полиненасыщенные кремнийорганические полимеры
5.2.1. Синтез полимеров
5.2.2. Термолиз полимеров
5.3. Полиненасыщенные кремнийорганические полимеры,
содержащие германий в основной цепи
5.3.1. Синтез полигермасилэтииа и его элементный состав
5.3.2. Термолиз полигермасилэтииа
5.4. Применение кремнийорганических полимеров для получения
i порошков, матриц и интерфейсных покрытий
5.5. Выводы 1 Глава 6. Свойства керамических композиционных материалов с
различным характером взаимодействия на границе
раздела волокно матрица
6.1. СVI ii композит
6.2. I iiкомпозиты
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Как неоднократно упоминалось выше, композиты с керамической матрицей предназначены для стабильной работы в окислительной среде при температурах выше С в течение длительного времени, поэтому они должны сохранять значительную долю своих механических характеристик при высоких температурах. Это накладывает дополнительные ограничения на выбор кандидатов для интерфазных материлов и придает им дополнительные функции. Так, интерфаза должна быть термодинамически совместима со всеми компонентами композита волокном и матрицей и обладать окислительной устойчивостью во всем рабочем интервале температур. Окисление интерфейса матрицаволокно приводит к деградации прочности и вязкости композита и в настоящее время признано ключевой проблемой, препятствующей широкому использованию керамических композитов. Интерфейсные покрытия на углеродных волокнах. Особенности микроструктуры УВ, а именно, наличие большого числа кратных связей с тгсопряжеиием, циклических ароматических структур, преимущественно ориентированных в направлении оси волокна, придает им высокий уровень механических, термических и электрофизических свойств. УВ и матриц лишь в некоторых случаях удалось добиться успеха 2. Из перечисленных выше функций интерфейсных покрытий, наиболее важной в случае УВ становится защитная функция, которая подразумевает, вопервых, защиту от окисления вследствие возможной диффузии кислорода через матрицу и, вовторых, от реакций на границе УВматрица в процессе получения композита. Действительно, углерод имеет низкую окислительную устойчивость 0С. Кроме того, диаметр УВ конструкционного назначения составляет лишь 7 мкм. В литературе, посвященной разработке композитов с теплостойкими матрицами, имеются данные по интерфейсным покрытиям на У В. УВ, включают тугоплавкие карбиды металлов 1УУ1 групп, оксиды, нитриды, их смеси, а также пироуглерод, иногда в сочетании с другими тугоплавкими соединениями для ККМ. Рассмотрим методы получения карбидных покрытий на У В. В том или ином виде все вышеперечисленные методы могут быть использованы для формирования карбидных покрытий на УВ. Как правило, восстановление оксидов металлов углеродом углеродсодержащими соединениями используется для получения порошков карбидов тугоплавких металлов 9. Тем не менее, в литературе можно найти сведения о формировании тугоплавких карбидных покрытий с помощью этого подхода. Так, в работе 0 описано получение i покрытий на УВ. Процесс включает следующие стадии нанесение на У В покрытия i2, полученного зольгель методом нагревание волокон с покрытием в инертной атмосфере при температуре С Рис При температуре выше С получается покрытие, фазовый состав которого отвечает Зi. Аналогичным способом были получены покрытия, состоящие из других карбидов, включая , i, i, и ii 1. Продолжительность нагрева в инертной атмосфере составляла 8 ч при С с последующим 8часовым выдерживанием при С. Сi ii ii
i
. Рис. Схема получения ii ii материалов 1. К достоинствам данного способа следует отнести технологичность, которая включает непрерывность процесса, использование относительно дешевых реактивов. Безусловным недостатком является существенная продолжительность процесса и высокие температуры, что делает весь процесс модификации УВ этим способом очень энергоемким. Как видно из рисунка , покрытие довольно равномерное. Толщина карбидного слоя зависит от природы золя и условий осаждения. Наиболее тонкое покрытие было получено для , наиболее толстое для ii. УВ в работе не приводятся. Как отмечают авторы работы 1, эффективность покрытий в реакциях окисления поверхностномодифицированных УВ на воздухе зависит от химической природы покрытий, толщины, пористости, присутствия трещин. Наибольшую эффективность продемонстрировало СС покрытие Рис
iii v
Рисунок СЭМ снимки различных покрытий после удаления углерода 1. Рисунок Потеря массы УВ от времени при окислении на воздухе при 0С. Разновидностью восстановления оксидов металлов углеродом можно считать способ нанесения покрытий из карбидов металлов IVVI групп на углеродные подложки, в том числе, углеродные жгуты и ткани, который состоит в пропитке вышеупомянутых углеродных материалов спиртовым раствором оксигалогенидовгалогенидов соответствующих металлов с последующим прокаливанием в атмосфере аргона при 0С 2.