碳化硅/地质聚合物复合材料的界面调控与性能研究

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地质聚合物(简称“地聚物”)是由硅氧四面体和铝氧四面体聚合而成的具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝胶体,其作为一种新型绿色环保建筑材料已经得到一定的发展和应用。然而,对于地聚物的研究开发,目前还不成熟,其中在力学性能的研究还有待深入,同时其耐高温性能以及吸波性能依旧缺乏实验研究与验证。碳化硅晶须(简称SiCw)是宽带隙半导体陶瓷纤维,强度高、热稳定性好,电导率和介电性能可调可控,因此开发SiCw增韧地聚物复合材料在高温结构、室内吸波材料和墙体防护领域具有重要研究价值。针对已有的研究分析表明,目前对于SiCw/地聚物复合材料的研究主要存在几个问题:一方面,SiCw的分散和表面涂层对复合材料制备和界面调控起关键的作用,而引入界面涂层是否能有效提高地聚物复合材料的力学性能、耐高温性能,尚未见报道;另一方面,目前已有很多关于吸波材料电磁波吸收性能的研究,但更多的是针对军事国防安全方面的雷达吸波,而关于其在民用方面,包括室内吸波材料及墙体整体式结构式防护方面几乎没有,SiCw是制备吸波材料的重要组分,将SiCw应用到地聚物材料中对于其吸波性能是否有所改善仍待进行研究。本文在回顾了地聚物及纤维增韧地聚物复合材料研究现状的基础上,设计了致密、均匀的SiCw/地聚物复合材料,研究了SiCw在水介质中的分散行为,确定了其稳定分散条件;引入球磨分散工艺,制备了均匀且力学性能优越的SiCw/地聚物原料复合粉体;采用热处理和溶胶-凝胶法对SiCw进行了改性处理,进而分析SiCw/地聚物复合材料的力学性能、耐高温性能和吸波性能,研究SiCw在地聚物中的强韧化机理,揭示制备工艺-界面-性能之间的关联关系。主要研究内容及结论如下:(1)研究了SiCw掺量、分散工艺对SiCw/矿渣基地聚物复合材料显微结构以及室温力学性能的影响,同时还研究了SiCw和不同分散工艺对矿渣基地聚物早期水化反应程度、水化产物结构与组成的影响。结果表明,采用适量分散剂AMP-95并结合适当机械分散手段能够保证SiCw在水基溶液中的分散稳定性;地聚物的抗折强度随着SiCw掺量的增加先增大再减小,其中,提高复合材料弯曲性能的最佳晶须掺量为1%,同比没掺晶须的试件提高了63%;将SiCw、矿渣以及适量分散剂在球磨分散的工艺下制成混合粉体能够保证地聚物复合材料室温力学性能最优的同时,也能避免晶须的二次团聚;由于SiCw的高比表面积,SiCw作为成核点加速了复合材料的水化反应,同时SiCw的分散效果越好,越能促进复合材料的水化反应。(2)研究了SiCw改性前后的微观组织形貌、表面的化学状态以及与涂层的界面化学键合性质。结果表明,采用热处理方式(800℃-1h)对SiCw表面进行轻度氧化后发现,晶须表面Si-O键增多,而表面Si-C、C-C键相对减少,O元素均匀地分布在了晶须的表面;以尿素和硼酸为前驱体,通过溶胶-凝胶法并在850℃下成功地制备了BN涂层,得到的BN涂层为h-BN,厚度约为0.2μm;采用硝酸铝水解法制取铝溶胶来涂覆SiCw,分别在800℃和950℃下在晶须表面制备了γ-Al2O3和α-Al2O3涂层,γ-Al2O3涂层结构疏松,α-Al2O3涂层结构致密,两种涂层平均厚度为0.2~0.3μm;涂层与晶须之间的界面为化学结合,且均是通过桥氧联接的化学键结合。(3)研究了不同改性处理后的SiCw对SiCw/地聚物复合材料耐高温性能和常温时的吸波性能的影响规律及其机制。结果表明,在900℃高温后,只有SiC/GP和SiC/BN/GP这两组试样保持完整,且两组的抗折强度分别为室温时的84.8%和92.7%,可见,未改性的SiCw/地聚物复合材料和经BN涂层改性后的SiCw/地聚物复合材料至少可耐600~900℃的高温;900℃处理后地聚物力学性能下降的根本原因是地聚物的水化产物-水化硅酸钙凝胶逐渐分解,并生成片沸石等新的晶相产物;晶须的偏转、桥联和拔出作用是SiCw/地聚物复合材料的主要增韧机理,经BN涂层改性后的SiCw对地聚物的增韧效果最好,原因是BN界面实现了载荷从基体向晶须的传递,从而促进了晶须拔出作用;SiCw/地聚物复合材料具备电磁波损耗能力,相对于纯地聚物,SiCw/地聚物复合材料在X波段下对电磁波的有效吸收带宽增加了0.26~1GHz;SiCw的不同改性处理也对SiCw/地聚物复合材料的吸波性能产生影响,SiC/BN/GP试样的吸波性能最好,在X波段下,其最低反射系数为-55.4dB,有效吸收带宽为4.11GHz,相对于未改性的SiC/GP,增加了0.74GHz。
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