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碳化硅陶瓷基复合材料及其激光刻蚀技术研究
来源:米乐体育m6官网下载  添加时间:2025-03-18 09:13:54

  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碳化硅在激光工艺流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有着非常强的隔绝作用,根本原因在于碳纤维能够承载并吸收热量,层间基体材料的烧蚀可以大大降低激光能量的积累。翟氏等【4】使用波动光学仿真软件分析了碳-碳化硅原始表面粗糙度对激光加工效果的影响,仿真根据结果得出碳-碳化硅原始表面形貌对激光刻蚀效果有显著影响,激光辐照在碳-碳化硅表面凸起的不同位置时,电场会发生偏移或减弱,电场强度的不均匀分布导致碳-碳化硅表面不一样的区域的刻蚀形貌存在一定的差异,如图2所示。

  为了研究不同参数的激光对纤维增强复合材料的作用机制,塔卡哈斯等【5】分别使用波长1064纳米的红外激光和266纳米的紫外激光对碳纤维增强复合材料进行了加工,分析了激光与纤维增强复合材料的作用机理。波长较长的红外激光主要是依靠热作用去除材料,加工区域边缘存在热影响区,而波长较短的紫外激光则依靠光化学作用去除材料,加工区域边缘热影响区比较小,如图3所示。翟氏等【6】使用重复频率为200 kHz的脉冲激光对Si碳-碳化硅进行了表面加工,实验根据结果得出较高的重复频率有利于提高加工速度,但是过大的光斑重叠率会导致脉冲间的热积累现象显著。这种热效应对Si碳-碳化硅加工是不利的,会导致材料表面氧化及加工精度下降。

  为了改善连续激光辐照纤维增强复合材料造成的层间开裂,国内外学者利用脉冲激光进行了复合材料的烧蚀去除研究。Pan等【9】利用大功率毫秒激光器对碳-碳化硅进行了单脉冲及多脉冲的烧蚀实验,毫秒激光烧蚀同样给材料带来了巨大的热冲击载荷及温度梯度,随着激光功率密度的增加,光斑中心区域的烧蚀现象越来越严重且出现了表面裂纹,数量众多的球形碳化硅颗粒沉积在烧蚀区域边缘。碳-碳化硅基体与纤维的烧蚀不规则,导致加工区域形貌杂乱无章,如图5所示。玛丽姆突苏等【10】研究了碳化硅增强复合材料在毫秒激光打孔过程中的成孔机理,通过高速相机观察发现毫秒激光加工中存在着明显的熔融体喷射现象,且伴随有等离子体产生,从孔口喷出的熔融体主要由烧蚀过程中产生的蒸汽压力驱动。过强的热作用导致孔口及侧壁形貌不规则,严重影响了加工质量。

  为了实现短时间内大去除量的高效加工,大功率长脉冲激光器被应用于纤维增强复合材料的激光加工中。刘等【7】对连续激光辐照下碳纤维增强复合材料的热机械响应进行了实验研究,根据结果得出材料的层间破坏是由热载荷引起的。在连续激光的辐照下,材料表层基体热解,由于热应力集中,材料出现了明显的层间开裂,如图4所示。栾氏等【8】研究了碳纤维增强复合材料在高功率CO2激光辐照下的烧蚀行为,研究之后发现微结构的生成与演化主要根据激光光斑辐照区域局部温度的差异,光斑中心区域较高的温度会导致碳纤维发生剧烈的烧蚀。

  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能从以下方面做分析。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。有必要注意一下的是,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比较高,在实际加工与制备中推广应用局限性

  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,Hale Waihona Puke Baidu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,具备比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。

  研究人员利用仿真计算软件从热力学、波动光学等不同角度对激光与CMC碳化硅相互作用机理进行了探讨,通过实验研究了激光波长、脉冲重复频率等加工参数对刻效果的影响。但是,依靠单一能场的固定化方法难以较为全面地揭示激光与CMC碳化硅材料的耦合光、热、力等因素的作用机理。

  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,不同原材料与结构及形式、制备工艺下的陶瓷基复合材料的性能也存在比较大的差別,正常的情况下,复合材料的材料组成成分最重要的包含纤维、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,材料密度以及线线胀系数、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,可以有效的进行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。

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