氮化硅納米線的合成及其增強(qiáng)氮化硅基透波復(fù)合材料研究.pdf

1、隨著導(dǎo)彈與飛行器的快速發(fā)展，尤其是高馬赫數(shù)導(dǎo)彈以及高超聲速飛行器的出現(xiàn)，作為集承載、透波、耐蝕、防熱于一體的天線罩需要面對(duì)更為嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)在更為嚴(yán)苛條件下的高速飛行，精確制導(dǎo)，要求天線罩材料更長(zhǎng)時(shí)間的承載能力，更好的抗熱震性能以及更優(yōu)異的透波性能。作為下一代天線罩材料的首選材料，氮化硅具有優(yōu)良的機(jī)械性能，很好的耐高溫性能以及良好的抗熱震性，但作為陶瓷材料，其固有的脆性是妨礙氮化硅材料更好應(yīng)用的一個(gè)難題，因此提高氮化硅陶瓷的韌

2、性成為了氮化硅陶瓷研究的核心課題。針對(duì)此課題，本文以氮化硅納米線（Silicon Nitride Nanowires, SNNWs）作為增強(qiáng)體，制備了氮化硅納米線增強(qiáng)氮化硅復(fù)合材料（SNNWs/Si3N4），分別研究了氮化硅納米線的合成工藝和SNNWs/Si3N4復(fù)合材料制備工藝，并對(duì)氮化硅納米線和SNNWs/Si3N4復(fù)合材料進(jìn)行了深度表征和分析。
　　采用氣-固相合成法（Vapor-Solid, VS），分別以Al2O3和石墨

3、為基底，合成了氮化硅納米線，研究了反應(yīng)溫度和保溫時(shí)間對(duì)氮化硅納米線的形貌影響，對(duì)制備的氮化硅納米線進(jìn)行了結(jié)構(gòu)以及微觀形貌的分析和表征，并對(duì)氮化硅納米線的生長(zhǎng)機(jī)理、表面元素組成和高溫抗氧化性進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示：在1500℃保溫2h的條件下合成的氮化硅納米線直徑約為200nm，具有較好的均勻性，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)百微米，且能兼具較好的產(chǎn)量。氮化硅納米線的生長(zhǎng)機(jī)理為 VS生長(zhǎng)，表面具有SiOx非晶層，表面元素主要為Si，N和O。在TG-DSC測(cè)試中

4、，氮化硅納米線在1135℃以上急劇氧化。
　　采用模壓成型以及常壓氣氛燒結(jié)的方法制備了 SNNWs/Si3N4復(fù)合材料，研究了燒結(jié)溫度以及氮化硅納米線含量對(duì) SNNWs/Si3N4復(fù)合材料宏觀物理性能、斷口形貌以及力學(xué)性能和介電性能的影響，并分析了氮化硅納米線不同燒結(jié)溫度下在復(fù)合材料中的演變及其在 SNNWs/Si3N4復(fù)合材料中的增韌機(jī)理。結(jié)果顯示：SNNWs/Si3N4復(fù)合材料的密度和氣孔率分別處于1.5~2.3g/cm3和2

5、7.5％~50.0%之間；燒結(jié)溫度越高，氮化硅納米線含量越多，SNNWs/Si3N4復(fù)合材料的相轉(zhuǎn)變?cè)綇氐祝?dāng)燒結(jié)溫度為1750℃時(shí)，復(fù)合材料中的 Si3N4幾乎全部轉(zhuǎn)化為β-Si3N4；SNNWs/Si3N4復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的升高而升高，隨氮化硅納米線含量的增加而減小，彎曲強(qiáng)度值分布在15MPa~210MPa之間；SNNWs/Si3N4復(fù)合材料的斷裂韌性大致隨溫度的升高而升高，隨氮化硅納米線含量的增加，其斷裂韌性在燒結(jié)溫度

6、為1500℃~1550℃時(shí)變化不大，在1600℃~1650℃時(shí)先隨氮化硅納米線的含量增加而增加，之后隨氮化硅納米線含量的增加而減小，在氮化硅納米線含量為0.5wt%時(shí)達(dá)到最大值；在1700℃~1750℃時(shí)隨氮化硅納米線含量的增加而減??；在1600℃和1650℃時(shí)，氮化硅納米線含量為0.5wt%的復(fù)合材料性能最好，1650℃時(shí)， SNNWs/Si3N4復(fù)合材料斷裂韌性為1.21MPa·m1/2；1600℃時(shí)， SNNWs/Si3N4復(fù)合材