论文部分内容阅读
反应烧结工艺具有烧结温度低、工艺简单、制造成本低等特点,是制备陶瓷复合材料的常用工艺之一。反应烧结碳化硅(Reaction Bonded Silicon Carbide,RBSC)陶瓷材料具有低密度、耐高温、抗冲击、高强度等优良特性,被广泛地应用于安全防护、化工、航空航天、机械、冶金、电子等领域。然而,RBSC陶瓷材料具有极高脆性限制了其在热结构领域的应用。本文从RBSC陶瓷材料的组分设计和碳化硅纳米线复合增强两条途径来提高碳化硅(Silicon Carbide,SiC)陶瓷的力学性能。具体研究结果如下:采用不同碳源和制备工艺,同时优化素坯碳密度能有效地改善RBSC陶瓷材料的显微结构,提高其力学性能。当素坯碳密度较低时,高含量和大尺寸的游离Si降低了材料的密度和力学性能;继续增加素坯碳密度,材料中SiC的含量升高,材料的密度和力学性能达到最高值。以炭黑、酚醛树脂为碳源时,当素坯碳密度为0.829 g/cm~3时,材料的密度为3.06 g/cm~3,洛氏硬度和抗弯强度都达到最高值,分别为90和220 MPa。以酚醛树脂为单一碳源,并通过超声振荡和机械搅拌的碳包覆工艺制备得到高性能RBSC陶瓷材料。当素坯碳密度为0.687 g/cm~3,材料的密度为2.96 g/cm~3,洛氏硬度和抗弯强度达到最高值,分别为88和250 MPa。分析认为游离Si含量的降低及SiC颗粒的细化是RBSC陶瓷材料性能提高的主要原因。在SiC陶瓷基体中引入性能优异的SiC纳米线作为增强体,能显著地提高陶瓷复合材料的性能。高温反应后的SiC纳米线仍然可以保持原有的竹节状或塔形结构,且随着SiC纳米线的增加,复合陶瓷的断口可以观察到SiC纳米线拔出的现象。与未添加SiC纳米线的RBSC陶瓷材料相比,添加SiC纳米线复合材料的抗弯强度得到显著的提高。以炭黑、酚醛树脂为碳源时,添加12 wt%的SiC纳米线制备的RBSC陶瓷复合材料的抗弯强度同比提升了60%,达到320 MPa;以酚醛树脂为包覆碳源时,添加10 wt%的SiC纳米线制备的陶瓷复合材料的抗弯强度同比提升了20%,达到300 MPa。由于过量SiC纳米线的“架桥”现象明显,反而会降低陶瓷复合材料的密度并限制其力学性能的进一步提高。分析认为陶瓷复合材料力学性能的提高主要归因于SiC纳米线优异的力学性能及其与SiC陶瓷基体形成较为适中的界面结合强度。总之,通过优化原料的配比、调整制备工艺和加入SiC纳米线作为增强体都能显著提高RBSC陶瓷材料的性能,实验中最高的抗弯强度为320 MPa,最高的洛氏硬度为90。