SiC基复合材料的制备及其高温力学性能研究

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SiC具有高导热性、化学惰性以及室温和高温下良好的机械性能,但是SiC陶瓷固有的脆性,使得其具有断裂韧性低、冲击阻力低等弱点,因此限制了其在众多领域的应用。本文通过在SiC基体中引入第二相来提高材料的强度,分别制备了纳米颗粒增韧SiC陶瓷和碳纤维(Cf)增强碳化硅复合材料,并对材料进行微观形貌表征和力学性能研究。首先制备了纳米颗粒增强SiC陶瓷材料,以α-SiC为原料,纳米β-SiC为增强相,利用高温下β-α晶型的转化,分别采用无压固相烧结和无压液相烧结方法制备纳米颗粒增强SiC陶瓷材料。其中以酚醛树脂和B4C作烧结助剂制备的SiC陶瓷材料,在β-SiC含量为10mass%时,制备的SiC陶瓷材料密度为3.058 g/cm3,抗弯强度338 MPa。材料的断裂模式为穿晶断裂和沿晶断裂的混合断裂模式,这种断裂模式会在裂纹沿晶界扩展时产生阻力,提高了材料的强度。其次使用化学气相渗透法制备了Cf/SiC复合材料,该材料密度为2.178g/cm3,常温下抗弯强度达到480 MPa,与纳米颗粒增强SiC陶瓷相比,其性能更优异,对其展开更深入的研究。研究了Cf/SiC复合材料在高温下不同气氛环境中的失效行为,结果表明:Cf/SiC复合材料的高温氧化损伤主要包括碳纤维和SiC基体的氧化损伤,在高温氩气环境中碳纤维和基体会受到损伤,材料的强度降低。随着氧化温度的升高,材料的压缩强度降低,温度为800℃时,压缩强度出现极小值,从室温时的246.7 MPa降低到53 MPa。最后对Cf/SiC复合材料的高温力学性能进行测试,分析力-热-氧耦合环境下材料强度的变化,并通过观察微观形貌分析材料增韧机制,结果表明:材料的力学性能随着温度的升高出现不同程度的下降,但在500℃时,材料的拉伸强度为253 MPa高于室温时的强度,材料主要通过裂纹偏转、纤维拔出等现象来提高材料的强度。并基于以上实验结果,在相同的实验条件中,首先对复合材料进行50次预疲劳实验,施加的最大载荷为最高强度的一半,之后再测试该温度下材料的力学性能,结果表明:经历50次预疲劳后,材料的压缩强度得到提高,弯曲强度和拉伸强度出现下降,其中在1000℃时,测试拉伸强度时,经历41次循环载荷,材料即失效。
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