基体密度对MoSi2-RSiC复合材料组成、微观结构和性能的影响

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以再结晶碳化硅(RSiC)为基体,利用其特殊的三维连通孔结构,通过MoSi2高温熔渗法来制备具有三维互穿网络结构的MoSi2-RSiC复合材料,可将RSiC优异的高温力学、抗蠕变、导热等性能与MoSi2优异的导电、导热和高温抗氧化能力有机结合起来,该类材料预期在航空航天用高温结构材料和工业用高温热源材料领域具有广泛的应用前景。前期的研究表明,RSiC基体的密度对复合材料的组成、微观结构和性能具有重要的影响。为此,本论文首先研究了密度对RSiC基体微观结构、力学、导电、导热等性能的影响,并探讨了相关的电热传输机理;在此基础上,以不同密度的RSiC为基体,分别采用MoSi2直接熔渗工艺(MI)、聚碳硅烷(PCS)浸渍-裂解(PIP)-MoSi2高温熔渗复合工艺、酚醛树脂(PF)浸渍-裂解(PIP)-MoSi2高温熔渗复合工艺,PF-PIP-MoSi2-Si-Ti合金活化熔渗(AAMI)复合工艺来制备MoSi2-RSiC复合材料。系统研究了基体密度对复合材料的显微结构、力学性能、导电导热等性能的影响。所得主要结论如下:(1)随基体密度增加,RSiC气孔率和平均孔径尺寸下降,室温抗弯强度和弹性模量增加,密度为2.6 g×cm-3的RSiC抗弯强度和弹性模量分别为95.1 MPa和84.2 GPa,其断裂方式为脆性断裂;随着RSiC密度的增加,其热膨胀系数略有增加,导热系数增加,体积电阻率下降;随测量温度增加,其导热系数减小,密度2.6 g×cm-3的RSiC导热系数从室温的的173.7 W/(m·K)-1下降到1300℃的22.2W/(m·K)-1,室温体积电阻率为4.8Ω·cm;(2)利用直接熔渗工艺于2050℃条件下,保温60min制备了具有三维互穿网络结构的MoSi2-RSiC复合材料,复合材料的主要组成为SiC和MoSi2,且含有少量的Mo5Si3和Mo4.8Si3C0.6;随基体密度增加,复合材料的气孔率下降,室温力学性能和弹性模量的增加,密度2.6 g×cm-3基体对应复合材料的抗弯强度和弹性模量最高,分别为108.7MPa和173.2 GPa,材料的断裂行为呈典型的脆性断裂;与RSiC基体相比,复合材料的体积电阻率显著下降,密度2.6 g×cm-3基体所对应的复合材料的体积电阻率为60.9 mΩ·cm。拓扑法所得电阻率数据与实验值接近,变化趋势一致。(3)以RSiC为基体,采用PCS-PIP-MI复合工艺、PF-PIP-MI复合工艺等制得具有三维互穿网络结构的MoSi2-RSiC复合材料,复合材料的主要组成为MoSi2与SiC,以及少量的Mo5Si3和Mo4.8Si3C0.6相;与直接熔渗法相比,这两种工艺所得复合材料的界面结合性得到明显改善,力学性能提高较显著。密度为2.3g×cm-3的基体,采用PF-PIP-高温熔渗复合工艺所得复合材料的室温抗弯强度和弹性模量分别为127.1 MPa和128.9 GPa;与基体相比,复合材料的体积电阻率显著降低,随基体密度的增加,复合材料的体积电阻率增加。密度为2.30 g×cm-3的基体,采用PCS-PIP-高温熔渗复合工艺时,复合材料的体积电阻率为37.45 mΩ·cm;(4)采用PF-PIP-AAMI复合工艺,在较低的熔渗温度下获得致密度较高且具有三维互穿网络结构MoSi2-RSiC复合材料,复合材料的主要组成为SiC、MoSi2和Ti C;合金粉料中m(MoSi2):m(Ti)m(Si)=48.2:30.3:21.5时,在1900℃保温60 min,所得复合材料的抗弯强度和弹性模量分别为116.7 MPa和157.4 GPa,体积电阻率为158.3 mΩ·cm。
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