短纖維增強反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的制備與性能研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,航天航空等領(lǐng)域?qū)Υ罂趶健⑤p量化光學(xué)系統(tǒng)的需求越來越迫切。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅是繼鈹、玻璃、硅、微晶玻璃后又一種綜合性能優(yōu)異的光學(xué)反射鏡材料。然而,反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷固有的高脆性制約了材料的機械加工,降低了構(gòu)件的成品率。復(fù)合化是改善單一陶瓷性能的重要途徑。本課題針對反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷的高脆性,將短纖維引入SiC/C體系,經(jīng)注漿成型、反應(yīng)燒結(jié)制備了短纖維增強反應(yīng)燒結(jié)碳化硅復(fù)合材料,研究了原料組成、成型工藝、燒結(jié)制度對材料性

2、能的影響。短纖維增強反應(yīng)燒結(jié)碳化硅基復(fù)合材料克服了反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷脆性大、斷裂韌性低的缺點,同時保留了碳化硅陶瓷比剛度高、熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高的特點,為大口徑、輕量化、高精度反射鏡的發(fā)展提供了必要的保障。
　　為了增強碳纖維的抗氧化性,首先采用溶膠-凝膠法在短切碳纖維表面涂覆致密氧化鋯薄膜,研究了原料組成、制備工藝對氧化鋯涂層結(jié)構(gòu)與性能的影響。浸漬六次后碳纖維軸向、斷口處制備均勻氧化鋯涂層。采用EDS法研究了纖維表面的元素組成

3、,表明纖維表面存在致密氧化鋯涂層。采用TG-DTA法研究了短纖維的抗氧化性,采用3mol.％YSZ涂覆碳纖維的開始氧化溫度提高到650℃,800℃時的氧化失重降低到20%。
　　以雙峰碳化硅、炭黑為基體材料,短切碳纖維為增強體制備了短切碳纖維增強反應(yīng)燒結(jié)碳化硅復(fù)合材料。克服短切碳纖維的團聚、成球難題,實現(xiàn)了短切碳纖維在SiC/C漿料中的均勻化。研究了短纖維體積分數(shù)對反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料顯微結(jié)構(gòu)、體積密度、力學(xué)性能的影響:短切碳纖維以

4、碳的形式引入材料體系,短纖維的增加提高了材料的體積密度,當(dāng)短纖維體積含量超過30vol.%時纖維“架橋”效應(yīng)降低了材料的體積密度;短纖維的增加提高了材料的彎曲強度和斷裂韌性,當(dāng)短纖維體積含量為30vol.%時,彎曲強度和斷裂韌性分別為416MPa、5.1MPa·m1/2,分析認為纖維拔出、界面脫粘、裂紋偏折、沿晶斷裂、殘余壓應(yīng)力是主要的強韌化機制。研究了碳短切碳纖維經(jīng)反應(yīng)燒結(jié)、HNO3/HF腐蝕后的形貌變化,分析了形貌變化的原因,提出了

5、硅化纖維的雙層結(jié)構(gòu)模型。
　　短切碳纖維在反應(yīng)燒結(jié)時容易與液相硅反應(yīng),使增強體的強度降低、強韌化效果下降。實驗中采用熱穩(wěn)定性較好的碳化硅晶須為增強體,經(jīng)濕法球磨、注漿成型、反應(yīng)燒結(jié)制備了碳化硅晶須增強反應(yīng)燒結(jié)碳化硅復(fù)合材料。反應(yīng)燒結(jié)后碳化硅晶須保持了表面的竹節(jié)結(jié)構(gòu)及初始尺寸,具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。晶須的“架橋”效應(yīng)提高了坯體的孔隙率,增加了材料中游離硅的尺寸、含量,因此材料的體積密度較短切碳纖維增強材料的體積密度低。碳化硅晶須擁有較

6、高的彈性模量和強度,晶須含量為20wt.%時斷裂韌性達到極大值4.2MPa·m1/2。材料斷口處有大量的晶須拔出,表明晶須與基體間形成合適的界面結(jié)合強度,成為最有效的增韌機制。材料表面存在殘余壓應(yīng)力,壓應(yīng)力抑制了表面裂紋的擴展。由于碳化硅晶須平均直徑僅為1.5μm,材料力學(xué)性能的提高不大。
　　反應(yīng)燒結(jié)碳化硅發(fā)生惰性氧化后在材料表面形成致密氧化物薄膜,可以提高材料的可靠性。采用空氣中微氧化法在反應(yīng)燒結(jié)碳化硅表面制備致密二氧化硅薄膜

7、,研究了二氧化硅薄膜的形成機制、形貌及對反應(yīng)燒結(jié)碳化硅性能的影響。微氧化后材料表面的凹坑、裂紋、氣孔等缺陷減少;游離硅的尖端熔化、尺寸減小;硅化纖維發(fā)生顯著體積膨脹,顯示較高的氧化活性。900℃微氧化形成無定型二氧化硅,1100℃微氧化后無定形二氧化硅發(fā)生晶化,晶態(tài)二氧化硅衍射峰強度隨短纖維體積含量的增加而減少。對短碳纖維增強材料,1100℃微氧化材料的彎曲強度、斷裂韌性分別提高34%、49%;對碳化硅晶須增強材料,晶須含量15wt.%

8、、1100℃微氧化時材料斷裂韌性達到5.1MPa·m1/2。
　　碳-硅反應(yīng)是制備反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的基礎(chǔ),針對反應(yīng)物炭黑,研究了炭黑含量對短纖維增強反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷結(jié)構(gòu)與性能的影響。炭黑硅化后伴隨顯著的體積膨脹,因此隨著炭黑含量的增加,短切碳纖維增強反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料的體積密度逐漸提高。炭黑含量的增加提高了反應(yīng)燒結(jié)碳化硅中碳化硅相的含量,由于碳化硅的熱膨脹系數(shù)大于硅,材料的熱膨脹系數(shù)呈增加趨勢。當(dāng)碳纖維體積分數(shù)低于20vol.%時