SiBNC纤维增强SiBNC陶瓷复合材料的制备与性能研究

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随着能源战略、航空航天等高技术领域的发展,目前亟需解决的一个主要问题就是研制出能够在高温氧化环境下长时间使用的高温结构件材料。SiBNCf/SiBNC陶瓷复合材料具有SiBNC陶瓷的高温稳定性好,抗氧化性能强,抗结晶温度高,热膨胀系数小等优异特性,综合了SiBNC纤维在高温下结构和力学性能基本保持不变的的优点,能够在1900℃下保持无定形态。SiBNCf/SiBNC陶瓷复合材料在航空航天、武器装备领域具有巨大的应用前景。  本文采用前驱体聚合物裂解转化及热压烧结技术相结合的方法制备了SiBNC纤维增强SiBNC陶瓷基复合材料(SiBNCf/SiBNC)。采用FTIR、TG、元素分析(EA)、凝胶含量测试等技术手段对聚硼硅氮烷的固化与交联性能进行研究,采用SEM、XRD、XPS、阿基米德体积排水法、三点弯曲试验等研究测试方法对SiBNCf/SiBNC陶瓷复合材料的形貌、结构与性能进行了深入研究。得出以下结论:  (1)研究了聚硼硅氮烷在230℃的交联与裂解性能,在交联时间为150min时前驱体的凝胶含量为88%,此时陶瓷产率达到65.6%。之后,凝胶含量缓慢增加,增速迅速减缓,确定前驱体的交联工艺为230℃交联150min。  (2)在热压工艺为230℃热压120min时得到的SiBNCf/SiBNC陶瓷复合材料的具有最佳的高温稳定性。并通过优化裂解升温程序,避免了复合材料由于小分子的热解与挥发过快而导致复合材料出现裂纹甚至断裂的缺陷。  (3)通过浸渍裂解对SiBNCf/SiBNC复合材料进行致密化,发现随着复合材料密度的增大,浸渍效率降低。低密度的复合材料浸渍更有效,密度增长较快。经过3次的浸渍裂解后,复合材料的密度增加了3.49%-10.56%,气孔率减少11.40%-14.5%。  (4) SiBNCf/SiBNC复合材料结构由SiC、Si3N4、BN、NC相组成,在800-1500℃具有低的热膨胀系数,抗冲击性能好。同时高温氧化保护膜的生成使复合材料在1500℃范围内具有优异的抗氧化和抗结晶性能。  (5)对SiBNCf/SiBNC复合材料在800-1500℃水氧耦合环境下进行热处理,分析了在低温、中温、高温段不同的氧化控制机制。通过测试分析发现SiBNCf/SiBNC复合材料具有高温氧化自愈合功。1400℃空气气氛氧化后,复合材料的密度从1.67g/cm3提高到1.86g/cm3,气孔率下降41%,抗弯强度从7.51MPa提高到26.54MPa。自愈合功能能够使SiBNCf/SiBNC复合材料在高温下服役保持优良的性能。  (6)研究了SiBNCf/SiNC复合材料的性能,SiBNCf/SiNC复合材料在1500℃氧化层失去对氧气的阻隔效果,并且在1300℃出现大量结晶相。对比得出B元素的引入是SiBNCf/SiBNC复合材料高温性能和抗结晶性能显著提高的原因。
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