氮化物纖維增強氮化硼陶瓷基透波復合材料的制備與性能研究.pdf

1、立足高馬赫數(shù)長航時精確制導天線罩的應用需求，本文以研制長時間耐高溫、低介電、耐燒蝕透波復合材料為目標，以環(huán)硼氮烷為氮化硼基體的先驅(qū)體，開展了氮化物纖維增強氮化硼陶瓷基透波復合材料的制備工藝及性能研究。系統(tǒng)研究了環(huán)硼氮烷的交聯(lián)和裂解特性，探明了BN基體的裂解溫度、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系；考察了SiNO和Si3N4兩種纖維的力學性能隨溫度的變化情況；采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化工藝，分別制備出了SiNOf/BN和Si3N4f/BN復合材料，深入研究了復合材

2、料的力學性能和界面結(jié)合特性；運用圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)，對復合材料斷裂過程中裂紋的形成及擴展進行了原位分析；采用CVD BN涂層對復合材料的界面結(jié)合進行了優(yōu)化調(diào)控；研究了復合材料的熱物理、介電及燒蝕性能。
　　研究了先驅(qū)體環(huán)硼氮烷的交聯(lián)和裂解特性。在90℃對環(huán)硼氮烷進行交聯(lián)固化得到了聚環(huán)硼氮烷，經(jīng)800℃裂解可基本實現(xiàn)陶瓷化。聚環(huán)硼氮烷高溫裂解產(chǎn)物的結(jié)晶程度隨裂解溫度的升高而升高，微觀結(jié)構(gòu)逐漸由無定形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱降稹Ｒ跃郗h(huán)硼氮烷粉體為原

3、料，采用模壓燒結(jié)和先驅(qū)體浸漬裂解工藝相結(jié)合的新方法制備出了高純度、高致密度且各向同性的BN陶瓷，系統(tǒng)獲得了BN陶瓷的力學、熱物理及介電性能。隨制備溫度的升高，BN陶瓷的熱導率、熱膨脹系數(shù)、介電常數(shù)及損耗角正切均逐漸升高。
　　對SiNO和Si3N4纖維進行高溫熱處理，考察了纖維形貌、結(jié)構(gòu)和力學性能的變化。兩種纖維在室溫下均為無定形態(tài)。SiNO纖維在氮氣中可保持非晶態(tài)至1400℃，但纖維發(fā)生了部分分解；纖維在空氣中1100℃熱處理后

4、仍具有良好的力學性能，單絲拉伸強度為0.77GPa，強度保留率為61.1％，耐溫性優(yōu)于石英纖維。Si3N4纖維在氮氣中也可保持非晶態(tài)至1400℃，且仍然致密，未發(fā)生分解；在空氣中經(jīng)1300℃熱處理后的拉伸強度達到0.66GPa，強度保留率為56.0%，耐溫性優(yōu)于SiNO纖維和石英纖維。
　　以環(huán)硼氮烷為先驅(qū)體，采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝分別制備出了SiNOf/BN和Si3N4f/BN復合材料，研究了制備工藝對復合材料力學性能和界面結(jié)合

5、特性的影響。在1000℃制備的SiNOf/BN復合材料有較優(yōu)的綜合力學性能，彎曲強度、彈性模量和斷裂韌性分別達到138.2MPa、28.6GPa和5.18MPa?m1/2。該復合材料在1100℃的高溫下仍具有良好的力學性能，彎曲強度為84.3MPa，強度保留率為61.0%。從纖維和基體的顯微模量和硬度、界面結(jié)合及孔隙率三個方面解釋了復合材料彎曲強度隨制備溫度升高先升高后下降的原因。隨制備溫度從800℃升高到1200℃，纖維-基體界面剪切

6、強度逐漸升高，其原因一方面是纖維-基體的熱失配隨制備溫度的升高而加劇，加強了纖維與基體的物理結(jié)合；另一方面TEM分析證實纖維與基體之間發(fā)生了界面反應，形成了強界面結(jié)合。當制備溫度為1200℃時，Si3N4f/BN復合材料具有較優(yōu)的力學性能，彎曲強度為132.6MPa。該復合復合材料高溫力學性能突出，1300℃的高溫彎曲強度達到了73.4MPa，強度保留率為55.4%，高溫力學性能優(yōu)于SiNOf/BN和SiO2f/SiO2復合材料。

7、>　　采用圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)（DIC）對SiNOf/BN復合材料的斷裂失效過程進行了原位分析和計算，得到了復合材料斷裂過程中纖維束解纏、纖維束拉斷以及纖維解纏三種不同形式裂紋萌生的臨界應變。以DIC所得的臨界應變值為粘聚關(guān)系法則，采用粘聚區(qū)有限元數(shù)值模型對2.5D SiNOf/BN復合材料的徑向壓縮過程進行了模擬，準確模擬了裂紋的萌生和擴展過程。
　　以環(huán)硼氮烷為先驅(qū)體，采用CVD法在Si3N4纖維表面制備了BN涂層，研究了沉積溫度對涂

8、層的微觀形貌、生長方式、組成及結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。當沉積溫度在900～1100℃時，涂層結(jié)構(gòu)均勻致密，與Si3N4纖維結(jié)合緊密，沉積過程為化學動力學控制；當沉積溫度高于1100℃時，由于發(fā)生了顯著的氣相形核，涂層形貌逐漸變得疏松，涂層質(zhì)量下降。研究了CVD BN涂層的厚度對復合材料界面結(jié)合和力學性能的影響。當沉積溫度為1100℃，涂層厚度為290nm時，Si3N4纖維和BN基體的界面剪切強度由無涂層時的131.42MPa下降至110.6MP

9、a，同時復合材料的彎曲強度和斷裂韌性分別提高了11.4%和22.6%。CVD BN涂層在復合材料中呈現(xiàn)高結(jié)晶性的層狀結(jié)構(gòu)，有利于裂紋在其內(nèi)部的擴展，從而改善了纖維和界面的界面結(jié)合。
　　研究了SiNOf/BN和Si3N4f/BN復合材料的熱物理、介電和氧乙炔焰燒蝕性能。兩種復合材料的熱導率、熱膨脹系數(shù)以及介電常數(shù)和損耗角正切均隨制備溫度的升高而升高，但仍保持在較佳水平。氧乙炔焰燒蝕結(jié)果表明BN基復合材料的燒蝕表面的平整度要優(yōu)于Si