SiCw-SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的制備與強(qiáng)韌化.pdf

1、碳化硅(SiC)陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐高溫等諸多優(yōu)良特性,但固有的脆性導(dǎo)致其制品可靠性差，嚴(yán)重制約其作為結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展和應(yīng)用。因此，SiC陶瓷材料的強(qiáng)韌化一直是結(jié)構(gòu)陶瓷研究的熱點(diǎn)之一。SiC層狀陶瓷具有良好的強(qiáng)韌性，既能克服SiC塊體陶瓷的脆性問題，又能有效彌補(bǔ)連續(xù)纖維增韌SiC陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)的非線性變形的不足，是很有發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構(gòu)陶瓷材料之一。目前，國際上仍然采用熱壓燒結(jié)法制備SiC層狀陶瓷，但這種方

2、法存在的問題是顯而易見的：首先，SiC層狀陶瓷只在層內(nèi)各向同性，熱壓燒結(jié)很難滿足制備復(fù)雜構(gòu)件時必須考慮方向性的要求；其次，SiC層狀陶瓷要求提高晶須的體積分?jǐn)?shù)，以克服層間弱結(jié)合增韌對強(qiáng)度的影響，但高溫?zé)釅簩ы毜膿p傷嚴(yán)重；最后，SiC層狀陶瓷存在層間和層內(nèi)兩種強(qiáng)化機(jī)制，但熱壓燒結(jié)過程中界面不易控制，難以發(fā)揮這兩種機(jī)制的協(xié)同作用。上述三方面的問題阻礙了SiC層狀陶瓷進(jìn)入工程化應(yīng)用的進(jìn)程，發(fā)展新的SiC層狀陶瓷制備方法具有重要的工程應(yīng)用價值

3、，也可以豐富和發(fā)展陶瓷材料的強(qiáng)韌化理論。
　　本文提出了采用等溫化學(xué)氣相滲透(Isothermal Chemical Vapor Infiltration，ICVI)結(jié)合流延法(Tape Casting，TC)制備SiC晶須(SiCw)/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷。優(yōu)化SiCw漿料和SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料的制備工藝；采用熱處理方法分別對SiCw和SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料進(jìn)行熱處理改性；采用先驅(qū)體浸漬裂解(Polymer

4、Infiltration and Pyrolysis，PIP)或液硅浸滲(Liquid Silicon Infiltration，LSI)工藝對SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料進(jìn)行致密化改性；采用添加微米SiC顆粒(SiCp)或納米SiC顆粒(SiCnp)對SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料進(jìn)行顆粒改性，分別研究熱處理改性、致密化改性和顆粒改性對SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料強(qiáng)韌性的影響。主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下：
　　(1)研究了

5、分散劑含量、粘結(jié)劑含量、增塑劑含量、球磨時間和SiCw體積分?jǐn)?shù)對SiCw漿料粘度的影響規(guī)律，考察了SiCw漿料的流變特性。結(jié)果表明：當(dāng)分散劑含量2 wt.％時，SiCw分散性較好，放置3 h后仍保持了95%的相對沉降高度。漿料粘度具有最佳值為1.21 Pa·s,適于流延。SiCw漿料粘度隨著粘結(jié)劑含量的增加而增加，但漿料粘度過大不利于后期排泡處理，也不利于流延，降低了薄片預(yù)制體質(zhì)量，選擇粘結(jié)劑含量為3 wt.%。SiCw漿料粘度隨著增塑

6、劑含量的增加而增加，為了減少漿料中有機(jī)物含量，選擇增塑劑含量為3 wt.%。SiCw漿料粘度隨球磨時間延長先降低后增加，但長時間球磨損傷晶須，控制球磨時間在12 h內(nèi)。SiCw漿料粘度隨SiCw含量的增加逐漸增加，SiCw漿料具有剪切變稀特性，適合流延。
　　(2)研究了流延工藝、ICVI工藝和SiCw含量對SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料拉伸性能的影響規(guī)律，優(yōu)化了制備 SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的工藝參數(shù)，闡述了TC-ICVI

7、工藝優(yōu)勢和材料性能。結(jié)果表明：整體厚度呈梯度變化的層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料，密度和拉伸強(qiáng)度均最好，裂紋在層間偏轉(zhuǎn)明顯，晶須拔出長度和數(shù)量較多。單層SiCw/SiC復(fù)合材料表面沉積的SiC層厚度，改變了層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料層間結(jié)合強(qiáng)度。SiC層厚度較薄時，層間界面結(jié)合強(qiáng)度適中，材料拉伸強(qiáng)度較高。隨著SiCw含量增加，SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料內(nèi)部30~200μm的大孔明顯減少，0.1~1μm的小孔增多，材料的密度和拉伸強(qiáng)度均顯著提高。TC-IC

8、VI工藝能夠提高晶須含量，減少增強(qiáng)體損傷，并且可以制備形狀復(fù)雜構(gòu)件。當(dāng)SiCw含量為40 vol.%，厚度為3 mm時，材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性分別為158 MPa，315 MPa和8.02 MPa·m1/2。
　　(3)研究了熱處理改性、致密化改性和顆粒改性對SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：晶須經(jīng)熱處理后，減少了表面應(yīng)力集中，提高晶須承載能力；降低表面氧含量，改善晶須/基體界面結(jié)合強(qiáng)度，從而提

9、高SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的力學(xué)性能。SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的高溫強(qiáng)度隨溫度的升高而升高，這與溫度對多孔基體的強(qiáng)度影響有關(guān)。當(dāng)溫度由室溫升至1500 ℃時，層內(nèi)界面結(jié)合強(qiáng)度提高，裂紋偏轉(zhuǎn)、橋接和晶須拔出等增韌機(jī)制發(fā)揮作用，材料力學(xué)性能提高。當(dāng)溫度升至1700 ℃時，晶須與基體之間界面發(fā)生固相燒結(jié)反應(yīng)，導(dǎo)致界面失效，材料脆性斷裂。真空熱處理對SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)度影響不大。經(jīng)過五次PIP裂解后，材料的密度線性提高，孔

10、隙率呈拋物線型大幅度下降，材料彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性分別為356 MPa和8.66 MPa·m1/2。選擇合適的滲硅時間0.5 h，可以在短時間內(nèi)有效地提高材料的密度和力學(xué)性能。當(dāng)保持SiCw含量為25 vol.%不變時，添加6 vol.% SiCp，提高了層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的致密度，材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性分別為152 MPa，333 MPa和7.49 MPa·m1/2。當(dāng)SiCw和SiCnp總體積分?jǐn)?shù)固定為30 vol.%時，(SiC

11、w+SiCnp)/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的密度和力學(xué)性能均隨著SiCnp所占比例的增加而提高。
　　(4)結(jié)合 SiCw/SiC及熱處理改性后、致密化改性后和顆粒改性后 SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)，探討了SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)韌化機(jī)制。結(jié)果表明：SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的主要韌化機(jī)制為層間裂紋偏轉(zhuǎn)，層內(nèi)裂紋偏轉(zhuǎn)、橋接和晶須拔出等，強(qiáng)化機(jī)制為高晶須體積分?jǐn)?shù)。晶須經(jīng)熱處理后改變了層內(nèi)界面結(jié)合強(qiáng)度，從而提