【摘 要】
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碳化硅陶瓷具有低密度、高强度、耐高温和抗热震性等特点,被认为是理想的结构材料之一。但因其固有的脆性、韧性低和抗冲击性能差等缺陷,严重的限制了它的应用范围。碳化硅纤
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碳化硅陶瓷具有低密度、高强度、耐高温和抗热震性等特点,被认为是理想的结构材料之一。但因其固有的脆性、韧性低和抗冲击性能差等缺陷,严重的限制了它的应用范围。碳化硅纤维增韧碳化硅复合材料(SiCf/SiC)通过在碳化硅陶瓷基体内引入碳化硅纤维,有效地改善了这些问题,在航空航天、新能源等领域具有较大的应用潜力。但是,对于精度高、结构复杂的零件,传统的SiCf/SiC复合材料制备方法很难甚至无法成形。本文为了解决上述问题,创新性地提出一种新的制备SiCf/SiC复合材料的方法。采用选择性激光烧结技术制备陶瓷柸体,结合聚合物热解原理使碳化硅纤维原位生长于碳化硅基体中,最后通过先驱体浸渍裂解技术提高柸体的致密度。采用SEM、TEM、EDX、XRD等材料学分析测试手段研究了不同工艺阶段材料的组织结构,利用万能力学实验机实际测量了材料致密化后压缩、弯曲性能和断裂韧性,并研究分析了力学失效机制。研究了不同工艺参数对SiCf/SiC复合材料物理性能、微观形貌的影响。结果表明:随着打印粉体中聚碳硅烷质量分数的增加,热解过程中碳化硅纤维的产量明显增长,但同时试件的孔隙率上升、密度下降,在试件被热解后,当聚碳硅烷含量从5%增加到15%时,试件孔隙率由56.75%增加到59.66%。随着热解温度的升高,碳化硅纤维的产量及长度都有所增长,但增长的效果是有限的;在保温时间为3、4小时的试件中,碳化硅晶粒周围密布纤维,纤维长度达到微米级;相比于保温时间和烧结温度,升温速率对碳化硅纤维的影响较小。利用先驱体浸渍裂解工艺成功地提高了SiCf/SiC复合材料的致密程度。随着浸渍裂解周期的增加,所有试件的孔隙率都逐渐降低,密度随之增高。在完成8次浸渍裂解后,5%聚碳硅烷含量试件的致密度最好,孔隙率为25.87%,密度为2.37g/cm3。不同热解温度制备的试件在经过8次浸渍裂解后的密度、孔隙率相差1%左右。在完成所有工艺后,对不同聚碳硅烷含量、热解温度的试件进行了力学强度测试。其中5%聚碳硅烷含量、热解温度为1300°C、保温时间为3小时的力学性能最好,抗弯、抗压和断裂韧性强度为178.71MPa、112.72MPa、2.72MPa·m1/2,相比于无碳化硅纤维增韧的碳化硅陶瓷(抗弯、抗压和断裂韧性强度为142.21MPa、92.56MPa、2.33MPa·m1/2),三种力学性能都有所提高。
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