SPS燒結Graphene-SiBCN陶瓷及其高溫性能.pdf

1、SiBCN陶瓷以其優(yōu)越的抗蠕變、抗氧化和組織穩(wěn)定性等性能使其成為目前結構陶瓷領域的研究熱點之一，但SPS燒結制備的SiBCN陶瓷斷裂韌性值低、高溫抗熱震性以及燒蝕性能鮮有研究，有關該復合陶瓷的氧化機制及微觀結構對其抗氧化的研究較少。本文通過改進Hummers法制備Graphene/SiBCN陶瓷以期改善該復合陶瓷的脆性并研究石墨烯的增韌機制，通過對不同成分的Graphene/SiBCN陶瓷物相分析和組織形貌觀察來分析其微觀結構。研究石墨

2、烯含量對其Graphene/SiBCN陶瓷性能影響規(guī)律，通過對Graphene/SiBCN陶瓷氧化行為、抗熱震以及抗燒蝕性能的研究，為其在航天防熱領域的應用奠定基礎。
　　研究發(fā)現(xiàn)高錳酸鉀的加入量以及加入時間的選擇對石墨的氧化程度起到非常重要作用。XRD、FT-IR和拉曼光譜分析表明，經(jīng)過氧化后制備得到氧化石墨烯和石墨烯在結構上與石墨存在明顯差異，SEM、TEM和AFM視野下石墨烯和氧化石墨烯形貌表明，片層狀的氧化石墨烯厚度較厚，

3、層數(shù)較多，石墨烯形貌在TEM視野下呈現(xiàn)卷曲褶皺，六邊形的電子衍射花樣表明其苯環(huán)的共軛結構得到了恢復。石墨烯的加入對BNC相的生成起到促進的作用，以1Vol％的Graphene/SiBCN陶瓷BNC相含量最多。
　　石墨烯的加入對Graphene/SiBCN陶瓷斷裂韌性的改善是顯著性的，斷裂韌性值隨著石墨烯含量的不斷增加而增大。石墨烯含量為5Vol%時，該復合陶瓷斷裂韌性達到了最大5.40±0.63MPa·m1/2，隨著石墨烯含量進

4、一步增加到10Vol%，致密度下降到77.24%，斷裂韌性隨之降低。Graphene/SiBCN陶瓷中石墨烯的增韌機制主要有：石墨烯的拔出、橋聯(lián)、裂紋穿透石墨烯、裂紋偏轉。
　　不同的氧化溫度下BNC含量對方石英的結晶析出起到了很大的抑制作用。體積分數(shù)為1%的Graphene/SiBCN陶瓷在1100℃下表面孔洞較多，隨著溫度的升高到1300℃，不同成分的復合陶瓷氧化層致密光滑，與基體結合良好。在1500℃氧化溫度下，1Vol%的

5、Graphene/SiBCN陶瓷抗氧化性能表現(xiàn)優(yōu)越，氧化層致密且與基體保持很好的強度結合，其余兩種成分的Graphene/SiBCN陶瓷在該溫度下氧化表面生成了海綿狀的SiO2多孔結構，氧化表面粗糙多孔。在1600℃下，SiO2流動性增強因而填充了大部分微小孔洞，但表面仍然存在著直徑較大的孔洞，Graphene/SiBCN陶瓷的氧化過程是一個伴隨著 BNC不斷消耗和SiO2不斷生成的持續(xù)失重過程。從熱力學上看，SiC相的氧化反應要優(yōu)先于

6、BNC相和C（石墨烯），而動力學上看 BNC和C（石墨烯）的氧化速率要遠大于SiC，因此Graphene/SiBCN陶瓷的氧化過程主要由動力學來控制。
　　熱震溫度為1000℃時1Vol%Graphene/SiBCN陶瓷SiO2的衍射峰強度幾乎沒有，說明在該熱震溫度下表面的SiO2含量很少，隨著熱震溫度提高，SiO2衍射峰逐漸出現(xiàn)，但1Vol%Graphene/SiBCN陶瓷SiO2直到1400oC仍然保持著非晶衍射峰，而2Vol

7、%Graphene/SiBCN陶瓷在1200oC已經(jīng)出現(xiàn)了SiO2晶體衍射峰。經(jīng)過1400℃熱震保溫10min后，在1Vol%Graphene/SiBCN陶瓷和2Vol%Graphene/SiBCN陶瓷斷口上均可以看到大片石墨烯拔出的現(xiàn)象，其增韌效果依然顯著。
　　5Vol%Graphene/SiBCN陶瓷與10Vol% Graphene/SiBCN陶瓷的抗燒蝕性能要優(yōu)于純SiBCN陶瓷，三者的質量燒蝕率和線燒蝕率分別為0.018