SiAl(Zr)OC陶瓷的制备及其微观结构与性能的演变

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聚合物衍生SiOC陶瓷(PDC-SiOC)由于其优异的力学性能、蠕变性和抗热震性,近年来受到了越来越多的关注,但是其在高温下会发生碳热还原反应,导致SiOC陶瓷的结构和成分发生变化,使其变得疏松多孔而影响性能。因此,本论文为提升SiOC陶瓷的热稳定性,引入异质元素(Al、Zr)形成Si(M)OC(M=Al,Zr)陶瓷,详细探究了Si(M)OC(M=Al,Zr)陶瓷在惰性及空气气氛下的微观结构演变规律与热稳定性。在此基础上,制备了Cf/SiZrOC陶瓷基复合材料,并对其性能进行了系统探究。本论文首先在SiOC陶瓷中引入了异质元素Al元素,制备了SiAlOC陶瓷,详细研究了不同的Al/Si比在不同的裂解温度和不同气氛中的演变规律。研究结果表明,SiAlOC陶瓷在1000-1500℃的裂解温度中,其相组成为莫来石相和SiO2相。与纯SiOC陶瓷相比,SiAlOC陶瓷中没有SiC相的生成。形成的莫来石相提高了SiOC陶瓷的热稳定性及其碳热还原反应发生的温度,并且随着Al/Si比的增加,陶瓷产率降低,莫来石相增加,SiO2相减少。此外,探究了SiAlOC陶瓷在空气气氛下的热稳定性。研究结果表明,SiAlOC陶瓷在1400℃空气气氛下热处理50min后,相组成为莫来石相和SiO2相,与纯SiOC陶瓷相比,Al元素的引入提高了SiOC陶瓷在高温空气气氛下的热稳定性。其次,本论文在SiOC陶瓷中引入Zr元素,制备了SiZrOC陶瓷。详细研究了不同裂解温度和不同裂解环境下SiZrOC陶瓷微观结构和组成演变行为。研究结果表明,Zr元素的引入会抑制体系中SiC的形成,促进Si-C键的断裂,从而降低体系中SP~3自由碳的含量,导致大量的ZrO2纳米颗粒分散在SiOC网络结构中,同时Zr元素的引入,会减少体系中SiO2的形成。与纯SiOC陶瓷相比,SiZrOC陶瓷在高温空气气氛下表现出优异的热稳定性。最后,采用浸渍裂解(PIP)工艺制备了Cf/SiZrOC陶瓷基复合材料,详细研究了复合材料不同浸渍裂解次数的力学性能和热物理性能。当浸渍裂解从一次到三次时Cf/SiOC陶瓷基复合材料在Z方向(垂直于纤维层)上的压缩强度在1300℃时从4.98±0.14MPa增加到了7.56±0.35MPa,Cf/SiZrOC陶瓷基复合材料在Z方向上的压缩强度在1300℃时从5.23±0.15MPa增加到了8.35±0.30MPa。此外,Cf/SiZrOC陶瓷基复合材料的热导率随浸渍次数的增加而增大,浸渍一次的Cf/SiZrOC陶瓷基复合材料在Z方向的热导率为0.325W/m·K,浸渍三次的Cf/SiZrOC陶瓷基复合材料在Z方向的热导率达到了0.489W/m·K。这主要是由于随着浸渍次数的增加,复合材料中SiZrOC陶瓷量增多,密度增大,从而使Cf/SiZrOC陶瓷基复合材料导热性能增强。
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