聚合物先驱体陶瓷法制备SiC/Si3N4纳米复合材料及其力学性能研究

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SiC/Si3N4陶瓷复合材料具有非常优越的室温和高温机械性能,在航空航天发动机热端部件、尾喷管以及核反应堆新型冷却管等方面具有重要应用价值。众所周知,复合材料的显微结构、致密度以及均匀性等对其综合性能有很大影响。传统的粉末冶金和高温烧结方法易导致晶粒异常长大、结构均匀性差、致密度低等问题。因此,急需一种新的方法制备高性能的SiC/Si3N4陶瓷复合材料。本论文结合聚合物先驱体陶瓷法和放电等离子体烧结法来制备SiC/Si3N4陶瓷复合材料。聚合物先驱体陶瓷是利用热解液态先驱体获得的非晶态新型陶瓷,具有成分均一,且可以在原子/分子尺度进行调控等特点。以先驱体聚氮硅烷为原料,低温热解获得SiCN/SiAlCN先驱体陶瓷非晶粉体,采用放电等离子烧结制备出SiC/Si3N4纳米复合材料。主要研究烧结温度和Al含量对复合材料的致密化行为、物相组成、微观结构和室温力学性能的影响。根据烧结曲线分析烧结行为;采用阿基米德法测量复合材料的密度;通过XRD和Raman等手段分别研究复合材料的相组成和微结构;利用SEM和HRTEM(包括EDS)等技术获得复合材料的显微结构、元素分布等信息;采用纳米压痕法测试复合材料的硬度、弹性模量以及室温蠕变性能等力学性能,研究结果表明:(1)复合材料的致密化过程分为缓慢致密化、快速致密化和平稳致密化三个阶段。升高烧结温度和增加Al含量有利于促进致密化。复合材料的密度随着烧结温度的升高而升高,由2.43增加到3.05 g/cm3;随Al含量的增加出现先降低后升高的趋势,由3.11下降到2.78后又增加至2.97g/cm3。(2)复合材料的主晶相是SiC和Si3N4。此外还有少量的Si2N2O,Si和无定型C;同时随烧结温度的升高,结晶度提高,A15-1750结晶最完全。此外,随着烧结温度的升高,碳的有序度和碳区尺寸均增加。N与掺杂的Al通过N-Al键形成多配位结构单元起固氮作用。随Al含量的增加,固氮能力增强,Si3N4的相对峰强增加;同时,随着Al含量的增加,碳的有序度下降,碳区尺寸减小。α-SiC的生成温度被降低到1650°C。发现A0-1700中Si2N2O、部分Si3N4以及A15-1750中的部分Si3N4分解生产少量的Si。(3)复合材料的致密度和晶粒尺寸随烧结温度的升高而增加;随着Al含量增加先减小后增加。A5-1700的平均晶粒尺寸最小;A0-1700平均晶粒尺寸最大。HRTEM及面扫描结果显示:A0-1700中SiC量多Si3N4量少,出现成分偏析,O主要分布在晶界区域,而同样烧结温度含Al的复合材料中Si3N4与SiC相间出现,分布均匀,Al与O弥散分布,当Al含量增加时,Al逐渐向富N区域扩散。(4)复合材料的硬度随烧结温度的升高而增大,由14.16±0.64 GPa增加至25.38±1.02 GPa;弹性模量从146.14±9.06 GPa增加到367.91±8.55 GPa。随着Al含量的增加,硬度和弹性模量均出现先减小后增大的趋势。A0-1700的室温蠕变行为对加载载荷、加载速率、保载时间皆有明显的依赖性。应力指数随加载载荷的增加,由60.9416增加到95.2689;随加载速率的增加,由77.3542降至57.4715;随保载时间的延长,由32.4264降至7.9367。根据文献可知,应力指数(>3)表明A0-1700的蠕变机制以位错滑移为主。与SiCO和SiCN陶瓷相比,本论文制备的复合材料具有更好的抗室温蠕变性能。
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