Si3N4-SiC复相陶瓷及其碳纤维复合材料研究进展

介绍了不同工艺制备的Si3N4,SiC的性能,研究了Si3N4-SiC复相陶瓷及其碳纤维复合材料研究发展现状,认为Si3N4-SiC复相陶瓷能够克服单一－Si3N4,SiC陶瓷断裂韧性低,烧结过程中晶粒长大造成强度下降等缺点,同时也弥补了SiC陶瓷强度较低的遗憾;而碳纤维的加入可以大大改善材料的韧性,认为结合Si3N4-SiC复相陶瓷的高强度和碳纤维复合材料的高韧性,可以制备出性能优良的Cf/SiC-Si3N4陶瓷基复合材料,并就此方面的;研究进展进行了综述。     

先驱体转化法制备SiC/Si_3N_4复相陶瓷异型件──烧成工艺研究

研究了以先驱体为粘合剂制备SiC／Si3N4复相陶瓷异型件的烧成工艺，以及升温制度等对制品质量的影响。     

三维网络碳化硅多孔陶瓷的制备

以中间相沥青添加55%(质量分数,下同)的Si粉混合物为原料,制备了含Si的炭泡沫模板。在高温反应烧结炉中,氩气气氛下1500℃保温1～6h,结合反应烧结工艺制备了碳化硅多孔陶瓷。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射分析仪(XRD)对碳化硅多孔陶瓷的微观形貌、物相组成进行了观察,并对熔融Si与C的反应机理进行了探讨。结果表明:碳化硅多孔陶瓷的微观结构与炭泡沫模板的微观结构一致,烧结温度1500℃下,随着保温时间的延长,多孔陶瓷的弯曲强度先增大后减小,而孔隙率先减小后增大;在保温4h的条件下制备的碳化硅多孔陶瓷主要由β-SiC相组成,最大弯曲强度为26.2MPa,对应的孔隙率为45%。内部熔融的Si与外部熔融的Si同时与C反应生成SiC,最后两者结合在一起形成致密的SiC多孔陶瓷。     

BAS粘接碳化硅材料的性能

采用原位生成钡长石为烧结助剂,研究BAS/SiC复相陶瓷的低温无压液相烧结工艺,制备高致密度的陶瓷材料。通过XRD、SEM及力学试验机等研究烧结温度、BAS含量对复相碳化硅陶瓷的致密化、组织结构及力学性能的影响。结果表明:在1800℃温度下原位生成了BAS相,运用无压液相烧结法制备出了密度达到3.2g/cm3的BAS/SiC复相陶瓷;陶瓷中BAS以六方结构析出、SiC颗粒均匀分布;烧结温度不宜超过1800℃,温度过高将促使碳化硅颗粒长大,损伤陶瓷材料抗弯强度和断裂韧度;当复相BAS/SiC陶瓷中BAS质量分数为30%时,弯曲强度达到413MPa,模量达到210GPa,断裂韧度达到5.03MPa.m1/2。     

原位生成Si2N2O与β-Si3N4晶种协同增韧Si3N4复相陶瓷研究

采用原位生成Si2N2O与添加β-Si3N4晶种的方法协同增韧,利用凝胶注模成型、无压烧结制备了Si3N4复相陶瓷材料,研究了协同增韧对材料力学性能和显微结构的影响.结果表明:通过添加5%(质量分数)的SiO2原位生成Si2N2O使材料的弯曲强度和断裂韧度有明显提高,分别达到359.8 MPa和4.67 MPa·m1/2,通过添加5%质量分数的β-Si3N4晶种,得到的Si3N4复相陶瓷材料中柱状β-Si3N4相生长完好、均匀分布,与板状Si2N2O结合良好.综合以上两种增韧机制使材料的力学性能进一步提高,弯曲强度为486.7 MPa,断裂韧度达到6.38 MPa·m1/2.     

烧结温度对Ｓｉ３Ｎ４显微结构及性能的影响

基于凝胶分子造孔机理,通过提高凝胶注模工艺中有机单体含量,制备微多孔氮化硅陶瓷,研究了烧结温度对Si3N4微多孔陶瓷烧结体的显微结构、强度、气孔率、孔径等方面的影响.结果表明,温度升高有利于β-Si3N4晶相的生成,烧结温度为1 680℃时,氮化硅陶瓷烧结体中α-Si3N4和β-Si3N4并存,当烧结温度为1 730和1 780℃时,氮化硅陶瓷烧结体的晶相全部为β-Si3N4;陶瓷烧结体的孔径均<1μm,而且孔径分布范围较窄、较均匀;随着烧结温度的提高,陶瓷烧结体的强度单调上升而气孔率下降.     

浆料-烧结法制备ZrB2-SiC-B4C涂层及性能研究

通过浆料刷涂-烧结法在Cf/SiC复合材料表面制备了ZrB2-SiC-B4C超高温陶瓷涂层,研究了浆料中粉末填料、稀释剂的质量分数及高温烧结温度对涂层形貌、成分和相组成的影响。结果表明:当粉末填料与树脂质量比为1∶1、稀释剂与树脂质量比为1∶2、高温烧结温度为1 500℃时,在Cf/SiC表面可形成致密、结合力强的ZrB2-SiC-B4C涂层。涂层内部相组织均匀,Ra1μm,孔隙率约为4. 2%,平均拉伸剪切强度约为5. 4MPa。1 500℃等温氧化30 h后,有涂层Cf/SiC复合材料的失重率约为10. 7%,涂层表面形成了完整的含有ZrO2-SiO2的复合氧化膜,为基体提供了有效的氧化防护。这说明Cf/SiC复合材料表面涂覆ZrB2-SiC-B4C涂层有望满足高温燃流环境的使用要求。     

激光熔覆制备WCp/Ni-Si-Ti复合涂层

在Ni基高温合金表面预置3种不同WC含量的Ni78Si13Ti9(at%)粉末,采用激光熔覆制备了WC和原位自生TiC复相陶瓷增强Ni3(Si,Ti)基复合涂层.利用扫描电镜、能谱分析仪和X射线衍射仪对熔覆层组织进行分析,并测量了其显微硬度.结果表明,熔覆层与基体呈冶金结合,熔覆层组织主要由Ni(Si)固溶体、Ni3(Si,Ti)金属间化合物和WC-TiC复相陶瓷组成.随WC添加量增加,涂层中复相陶瓷含量增多;孔隙率增大;碳化物形态演变历程为不规则状、花瓣状以及不规则状和花瓣状共存.     

(SiC)Cf / Si3 N4 复合陶瓷的制备及性能

采用CVD法制备了SiC涂层包覆短碳纤维,并通过凝胶注模成型工艺制备了(SiC)C_f/Si_3N_4复合陶瓷,探讨了烧结温度对复合陶瓷中(SiC)C_f形貌的影响。同时研究了(SiC)C_f的含量对复合陶瓷力学以及介电性能的影响,当(SiC)C_f含量达到10wt%时,样品的抗弯强度比纯Si_3N_4陶瓷降低了112 MPa,但断裂韧性显著提高,增加了11.5 MPa·m~(1/2),介电常数实部和虚部达到最大,介电实部约为15~18,虚部约为6~8;反射衰减随(SiC)C_f的含量和厚度的增加而向低频移动。     

Y-La-Si3N4陶瓷的显微结构分析

通过采用溶液法引入烧结助剂Y2O3、La2O3的工艺，研究了热压自韧Si3N4陶瓷的显微结构特征，着重分析了烧结助剂合量及配比对材料显微结构的影响以及材料的显微组织和力学性能的关系。结果发现，自韧Si3N4陶瓷中β-Si3N4柱状晶的双峰分布特征以及显微组织的均匀性对材料的力学性能起着决定性作用。     

Si3N4-TiN-SiC复相陶瓷的燃烧合成

利用高压气－固燃烧合成法,以ＴｉＳｉ２和ＳｉＣ为原料制备了Ｓｉ３Ｎ４－ＴｉＮ－ＳｉＣ复相陶瓷,实验中发现反应过程中出现的液相降低了产物的转子率;分析了稀释剂对产物的转化率与燃烧温度的影响及氮气压力在燃烧中的作用;解决了液相,稀剂和燃烧温度之间的矛盾,即通过提高氮气压力来完成。     

镍对C/SiC化学气相渗透碳的催化研究

用液相浸渗还原法将Ni渗入C/SiC复合材料,研究复合材料中Ni对化学气相渗透PyC过程的影响.用重量分析法研究Ni的催化作用,用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)技术分析材料的微观结构及组成.结果表明,Ni对化学气相渗透PyC具有催化作用,它加速了PyC的沉积,Ni含量为4.4%时增重率达最大值9.98%.沉积的PyC为细小颗粒聚集体.CVI过程中Ni与基体SiC反应生成Ni2Si,Ni3Si.     

氮化硅陶瓷的增韧研究

研究了加入ZrO_2和SiC晶须对热压烧结Si_3N_4的增强增韧作用。加入ZrO_2和SiC晶须能提高复合材料的断裂韧性K_(IC),但降低了抗弯强度。分别加入10vol％纯ZrO_2和含有钇的Y-ZrO_2,使Si_3N_4陶瓷的室温K_(IC)从原来的6.3MPa·m~(1/2)分别提高到7.3MPa·m~(1/2)和7.6MPa·m~(1/2)。加入10wt％SiC晶须,使Si_3N_4陶瓷的室温K_(IC)从6.3MPa·m~(1/2)提高到7.1MPa·m~(1/2)。     

连接压力在Ti/Ni/Ti复合层TLP扩散连接Si3N4陶瓷中的作用机制

研究了Ｔｉ／Ｎｉ／Ｔｉ复合层ＴＬＰ扩散连接Ｓｉ３Ｎ４陶瓷时压力对接头形成的作用机制。结果表明,ＴＬＰ来不及与陶瓷发生充分反应并形成高强度结合界面就已完全凝固,为形成高强度的结合界面,必须进一步发生固态扩散反应。只有当连接过程中施加足够的压力,才能保证ＴＬＰ在其存在期间充分铺展陶瓷,并在ＴＬＰ完全凝固后形成大量扩散通道,为固态扩散反应提供必要条件。     

SiB4 微粉在化学气相渗透SiC 过程中的变化

采用SEM、EDS、XRD分析了SiB4微粉化学气相渗透(CVI)SiC后的组成和结构,并用热力学计算研究了SiB4微粉在CVI SiC过程中变化的原因。结果表明:在CVI SiC过程中SiB4微粉不发生分解,但在近表层处氧化生成SiO2和B2O3。用SiB4浆料浸渍结合CVI工艺对C/SiC基体进行自愈合改性时,难以形成均匀致密的基体。     

Ti/Ni/Ti复合层TLP扩散连接Si3N4陶瓷与接头质量控制

研究了Ti/Ni/Ti复合层TLP扩散连接Si3 N4 陶瓷。结果表明 ,Ni Ti过渡液相存在时间短 ,在此期间形成的界面结合强度低 ;必须进一步固态扩散反应才能形成高强度接头 ,相应的接头显微结构为 :Si3 N4 /TiN/Ti5Si3+Ti5Si4 +Ni3 Si/NiTi/Ni3 Ti/Ni。连接时间、连接温度、连接压力及Ti和Ni的厚度影响接头组织和强度 ,其最佳值为 6 0min ,10 5 0℃、2 .5MPa、2 0 μm和 40 0 μm ,所得接头室温和 80 0℃剪切强度分别为 142MPa和 6 1MPa。     

微量Al 掺杂对2D C/ SiC 性能的影响

以二维编织碳纤维碳布为预制体,采用聚铝碳硅烷(PACS)为聚合物前驱体,应用化学气相渗透(CVI)结合聚合物浸渗-裂解(PIP)工艺制备微量Al掺杂2D C/SiC复合材料。研究微量Al掺杂对C/SiC微观结构、力学、热膨胀和氧-乙炔焰烧蚀性能的影响。结果表明:掺杂微量Al未改变C/SiC的微观结构和热膨胀性能,也未降低其韧性和强度;但微量Al掺杂提高了C/SiC的抗烧蚀性能,含微量Al的SiC氧化形成微量Al熔于SiO2的固熔体,微量Al提高了SiO2的黏度和致密度,减小SiO2挥发,较未掺杂Al的C/SiC相比,线烧蚀率降低了26%。