晶须及短切纤维增强反应烧结SiC-Si3N4基复合材料工艺研究

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纤维增强陶瓷基复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐辐射等优异性能,在航空航天、国防军工、核能等领域拥有广阔的应用前景。目前主要采用连续纤维作为陶瓷基复合材料的增强体,但较高的制备成本和较长的制备周期制约着连续纤维增强陶瓷基复合材料的广泛应用。本文基于晶须及短切纤维较为廉价的成本,采用反应烧结法制备了晶须及短切纤维增强SiC-Si3N4基复合材料,对晶须及短切纤维增强SiC-Si3N4基复合材料的制备工艺进行研究。采用碳化硅晶须为增强体,通过固相球磨、温压成型、裂解炭化及反应烧结工艺制备了碳化硅晶须增强SiC-Si3N4基复合材料。研究了冷等静压压力、烧结助剂含量、酚醛树脂含量和碳化硅晶须含量对复合材料结构与性能的影响。结果表明:冷等静压压力从0增加200MPa时,复合材料弯曲强度不断增大;采用Y2O3和Al2O3作为烧结助剂时会促进陶瓷烧结,其含量从0增加到12wt.%时,复合材料的密度不断增大,弯曲强度先增大后减小;酚醛树脂含量从10wt.%增加到25wt.%,复合材料密度和弯曲强度不断减小;碳化硅晶须含量从0增加到26wt.%,复合材料弯曲强度和密度先增大后减小。采用叠层法制备了短切玄武岩纤维及短切碳纤维增强SiC-Si3N4基复合材料。短切玄武岩纤维增强SiC-Si3N4基复合材料在1450℃烧结时,玄武岩纤维熔化分解,起不到增强效果;短切碳纤维在短切碳纤维增强SiC-Si3N4基复合材料内按层状分布且分散均匀。以短切碳纤维为增强体,采用固相球磨、温压成型、裂解炭化及反应烧结工艺制备了短切碳纤维增强SiC-Si3N4基复合材料。研究了短切碳纤维含量和烧结温度对复合材料结构与性能的影响。短切碳纤维含量从0增加12wt.%时,复合材料弯曲强度和密度先增大后减小,短切碳纤维在烧结过程中会与Si反应生成SiC,纤维增强效果减弱;烧结温度从1450℃增加到1600℃时,复合材料弯曲强度和密度先增大后减小,烧结温度的升高会促进陶瓷基体的烧结。采用短切氮化硼纤维为增强体,通过固相球磨、温压成型、裂解炭化及反应烧结工艺制备了短切氮化硼纤维增强SiC-Si3N4基复合材料。研究了短切氮化硼纤维含量对复合材料结构与性能的影响。短切氮化硼纤维分散性优于短切碳纤维,短切氮化硼纤维含量从0增加12wt.%时,复合材料弯曲强度和密度先增大后减小。以短切碳化硅纤维为增强体,采用固相球磨、温压成型、裂解炭化及反应烧结工艺制备了短切碳化硅纤维增强SiC-Si3N4基复合材料。研究了短切碳化硅纤维含量和烧结温度对复合材料结构与性能的影响。短切碳化硅纤维含量从0增加12wt.%时,复合材料弯曲强度和密度先增大后减小。当短切碳化硅纤维含量为3wt.%时,复合材料有较高的力学性能,弯曲强度、孔隙率和密度分别为:120.45MPa、12.98%和2.231g/cm3;烧结温度从1450℃增加到1600℃时,复合材料弯曲强度和密度先减小后增大。短切碳化硅纤维会随着烧结温度的升高而逐渐分解,增强效果不断减弱。短切纤维的添加有利于提高陶瓷的硬度和热导率。短切碳化硅纤维增强SiC-Si3N4基复合材料硬度为50HRB,高于未添加纤维时的32HRB。短切氮化硼纤维增强SiC-Si3N4基复合材料热导率为8.145W/(m·k),高于未添加纤维时的3.021W/(m·k)。
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