文档介绍：博士学位论文
Cf/铝硅酸盐聚合物及其转化陶瓷基复合材料
的研究
PROCESSING AND CHARACTERIZATION OF THE
Cf/GEOPOLYMER AND DERIVED CERAMIC
POSITES
何培刚
2011 年 01 月
国内图书分类号:TB321 学校代码:10213
国际图书分类号:620 密级:公开
工学博士学位论文
Cf/铝硅酸盐聚合物及其转化陶瓷基复合材料
的研究
博士研究生:何培刚
导师:贾德昌教授
申请学位:工学博士
学科:材料学
所在单位:材料科学与工程学院
答辩日期:2011 年 01 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: TB3
: 620
Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
PROCESSING AND CHARACTERIZATION OF THE
Cf/GEOPOLYMER AND DERIVED CERAMIC
POSITES
Candidate: He Peigang
Supervisor: Prof. Jia Dechang
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Materials Science
Affiliation: School of Mater. Sci. & Eng.
Date of Defence: January, 2011
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
本文采用超声辅助-料浆浸渍工艺制备了单向碳纤维强韧铝硅酸盐聚合物复
合材料,探讨了纤维含量和基体组成对复合材料力学性能和断裂行为的影响,
系统研究了铝硅酸盐聚合物的陶瓷化机制和单向碳纤维强韧铝硅酸盐聚合物转
化高性能陶瓷基复合材料的力学性能和断裂机制,并进一步探讨了 sol-SiO2 再浸
渍对高温处理后复合材料高温性能和损伤机制的影响。
研究表明,通过控制工艺参数能够获得低粘度、高稳定性的铝硅酸盐聚合
物料浆,所制备的复合材料中碳纤维浸渍充分并且分布均匀。与铝硅酸盐聚合
物基体材料相比,采用纤维强韧化复合材料的力学性能有了质的提高,特别是
纤维含量为 20vol.%的复合材料,其抗弯强度、弹性模量和断裂功分别提高了
倍、 倍和 倍。并且与基体材料的脆性断裂不同,纤维强韧的铝硅酸
盐聚合物基复合材料呈现明显的韧性断裂特征。增加铝硅酸盐聚合物基体的硅
铝比能够显著提高复合材料的力学性能。随基体硅铝比增加,纤维的强韧作用
更为显著,同时复合材料的断裂模式由剪切断裂模式逐渐转变为抗弯断裂模
式。
铝硅酸盐聚合物经过适当的高温处理后能够转变为四方或者立方白榴石陶
瓷。铝硅酸盐聚合物的陶瓷化过程可以分为结构弹性、脱水、脱羟基和烧结致
密化四个阶段,并且在烧结致密化阶段材料表现出最大的收缩值。对钾金属离
子激发的铝硅酸盐聚合物而言,加热过程中晶化出现在其完全致密化之后,其
晶化机制为三维均匀晶化。与未陶瓷化铝硅酸盐聚合物相比,陶瓷化产物的机
械性能有了质的提高,然而表现出较高的热膨胀系数,并且在 400℃附近出现体
积膨胀的四方–立方相变;Cs+部分等量替代 K+后铝硅酸盐聚合物的晶化活化能
降低,铝硅酸盐聚合物易于晶化,并且当 Cs+替代量为 20at.%时,高温立方白榴
石相能够完全被稳定至室温,同时陶瓷化产物的热膨胀系数显著下降。
碳纤维强韧铝硅酸盐聚合物复合材料经过适宜的高温处理后能够直接转变
为碳纤维强韧白榴石陶瓷基复合材料,并且力学性能获得大幅度提高。碳纤维
+
强韧 K 激发铝硅酸盐聚合物复合材料(Cf/KGP)经 1100℃处理后力学性能达到最
大值,其抗弯强度、断裂功和弹性模量比未处理复合材料分别提高了 %,
%和 %;而碳纤维强韧 20at.%Cs+等量替代 K+激发铝硅酸盐聚合物
(Cf/CsKGP)复合材料经 1200℃处理后获得最高的力学性能值,比未处理复