论文部分内容阅读
碳化硅(Silicon carbide,SiC)聚合物先驱体陶瓷(Polymer-derived ceramics,PDCs)作为一种先进结构材料,集低密度、高强度、高模量、耐高温、抗氧化、抗热冲击等诸多优异性能于一体,可广泛应用于航空航天、核能等高科技领域。该陶瓷的制备方法具有分子结构可设计、陶瓷组分可调控、工艺性能好、烧成温度低及无需烧结助剂等优点,尤其适合纤维、薄膜、涂层等低维材料的制备,但对于三维(Three-dimensional,3D)块体陶瓷材料的制备却存在着难以克服的困难。这是由于先驱体在无机化转变的过程中,有机结构会发生坍塌收缩,释放出大量小分子气体,使陶瓷内部产生许多孔隙与裂纹,严重影响其块体成型和机械性能。因此,有必要寻求一种能有效制备3D-SiC PDCs的技术,保证目标陶瓷低线性收缩率、高陶瓷产率、高硬度、高断裂韧性、少孔隙和缺陷,为实现其结构功能一体化奠定初步基础,从而有望应用于更多尖端技术领域。本文主要研究内容与成果如下:(1)提出了裂解陶瓷/先驱体共混体系再裂解技术,将裂解陶瓷SiC(rGO)p颗粒作为惰性填料、其先驱体聚碳硅烷-乙烯基三乙氧基硅烷-氧化石墨烯(PCS-VTES-GO,PVG)粉末作为粘结剂,借鉴传统陶瓷粉料的制备工艺,以球磨的方式获得了不同比例的SiC(rGO)px/PVG共混体系,经模压成型和1200℃再裂解成功制备出系列纳米复合3D-SiC(rGO)px陶瓷。通过对系列陶瓷的微观结构和化学组成表征,确定了该陶瓷由β-SiC、SiOxCy、Si02、rGO和游离碳组成,其中β-SiC纳米晶弥散分布于复合rGO的SiOxCy/Cfree无定形相中,SiO2晶粒镶嵌于β-SiC/SiOxCy/Cfree基体中。该技术最佳配比为填料SiC(rGO)p颗粒对粘结剂PVG粉末的质量比6:4,所制备的3D-SiC(rGO)p0.6陶瓷具有较高的陶瓷产率(94.49%)、较低的线性收缩率(5.00%),远优于同类陶瓷;同时表现出优异的力学性能,硬度为3.96GPa、断裂韧性高达3.21MPa·m1/2。该陶瓷的表面平整致密,并可通过聚合物浸渍裂解(Polymer infiltration pyrolysis,PIP)法进一步填补其中的孔隙、微裂纹和界面,提高其耐用性与可靠性。(2)在原料PCS中引入异质元素A1合成PACS,进而与GO复合获得新型含铝先驱体PACS-VTES-GO(PAVG)。基于裂解陶瓷/先驱体共混体系再裂解技术,将质量分数为60%的1300℃裂解SiC(Al,rGO)p陶瓷颗粒与其先驱体PAVG粉末球磨共混并压坯,经不同温度再裂解成功制备出系列高品质3D-SiC(Al,rGO)陶瓷,详细研究再裂解温度对陶瓷的表面形貌、化学组成、微观结构和力学性能等方面的影响。系列3D-SiC(rGO,Al)陶瓷均含有Si、C、O、A1四种元素,β-SiC和Si02微晶镶嵌于复合有rGO并有少量A1原子弥散分布的SiOxCy/Cfree无定形相中。随着再裂解温度的升高,SiOx.Cy相分解愈加彻底,β-SiC纳米晶不断增多并长大,游离碳含量增加,而SiO2结晶度降低、晶粒减小,至1500℃终烧后完全消失。1300℃为3D-SiC(rGO,Al)陶瓷的最佳再裂解温度,所制备的陶瓷具有最高的硬度(2.57GPa)和断裂韧性(3.32MPa·m1/2),以及最致密的表面。即使再裂解温度提高到1500℃,陶瓷仍可保持较好的力学性能。结果表明,A1元素的存在抑制了 β-SiC的结晶,使PDCs的结晶温度转移到更高,并能在一定程度上提高陶瓷的热稳定性和断裂韧性。