SiC纳米线原位增强SiC/SiC接头设计及性能研究

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SiC陶瓷本身具有密度低、热导率高、热膨胀系数小、常高温力学性能好等一系列优异特性,被广泛应用于航空航天、空间光学、微电子、核能、运输等领域。然而,由于受到高性能陶瓷材料成型技术的限制,使得制备大尺寸和复杂形状陶瓷部件非常困难。因此,采用连接技术将比较简单的部件进行拼接是制备大尺寸和复杂构件最为行之有效的方法之一。连接技术的发展对SiC陶瓷应用领域拓宽起着非常重要的促进作用。陶瓷连接技术在解决连接强度的同时,应该最大限度的发挥陶瓷本身的耐高温、耐磨等特性。目前,以高温应用为目的的连接技术是迫切需要发展的核心技术。本课题主要针对SiC陶瓷的高温应用需求,在传统的C-Si反应连接技术基础上,首次提出将具有良好热学和力学性能的SiC纳米线原位引入到SiC陶瓷接头中,系统的开展了以下工作:1.多组元浆料制备与优化;2.SiC纳米线生长机理分析;3.SiC纳米线强化C-Si反应连接接头的微观结构和力学性能分析。通过以上探究,得出了以下研究结果:1.所制备多组元浆料体系以乙酸乙酯和二甲苯的混合溶液为溶剂,浆料组元还包括:蓖麻油(分散剂)、酚醛树脂(粘结剂)、聚碳硅烷(有机前驱体)、二茂铁(催化剂)、SiC原始粉体(惰性填料)和炭黑粉体(活性填料)。当蓖麻油含量为45wt%、浆料粘度保持在20003000mPa.s(剪切速率:20S-1)时,浆料的均匀性最好,涂覆质量最佳。2.聚碳硅烷热解过程中,随热解温度的升高,热解产生的固相产物首先进行无机化转变形成非晶SiC,然后逐步向晶态β-SiC和α-SiC转变。热解可能形成的气相分子主要包括H2、CH4、SiH4和CH3SiH3,是SiC纳米线生长的主要原料。当无催化剂作用时,所制备SiC纳米线随机分布,顶端无小圆球(气-固生长机理);当使用二茂铁作催化剂时,所制备SiC纳米线呈针状均匀分布,顶端存在明显小圆球(气-液-固生长机理)。3.使用聚碳硅烷在陶瓷连接层内部制备SiC纳米线的形貌和尺寸可以通过调控热解温度、SiC原始粉体粒径和聚碳硅烷含量进行优化。致密化连接后接头连接层厚度受聚碳硅烷含量和SiC原始粉体粒径的影响。连接层内部的相组成为α-SiC和β-SiC与游离硅的混合相。所得接头的最高室温和高温(1200℃)四点1/3弯曲强度分别为289±60MPa和368±44MPa,可还原基体强度的81%。
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