SiBN/Si3N4复合界面制备及其对SiC基复合材料性能影响研究

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连续纤维增强陶瓷基复合材料(CMCs)凭借其优异性能在航空、航天、核能等领域得到了大量应用。但是航空热端部件优异性能的实现受材料界面相的影响很大,在高温水氧环境下目前常用的BN、(BN/SiC)n界面相均存在一定的问题,靠近纤维表面处BN界面相极易受到破坏,造成材料力学性能无法长时间有效保持,而已有研究表明SiBN相对于BN及Si3N4相对于SiC均表现出更为良好的抗氧化性能,因此本研究提出采用SiBN和Si3N4相结合形成(SiBN/Si3N4)n复合界面取代传统BN和(BN/SiC)n界面,主要开展纤维表面SiBN、Si3N4界面相研究,探讨了界面相制备工艺、结构设计及其对材料力学性能和抗氧化性能的影响。以SiCl4-NH3-BCl3-H2为反应体系在Amosic纤维表面制备SiBN界面,研究了温度及热处理对SiBN界面形貌、组成及结构影响。结果表明,随着沉积温度升高,纤维表面涂层逐渐由光滑变得粗糙,涂层表面开始出现菜花状颗粒。XRD分析发现所制备SiBN界面为非晶态,红外光谱分析发现SiBN界面表现出明显的氮化硼和氮化硅特征峰,XPS分析发现1000oC以下界面相中N-B键含量占主导,同时提高沉积温度有利于界面相中Si元素含量的提升。1400oC热处理后界面发生了显著结晶,热处理后SiBN界面主要由氮化硼和氮化硅组成。探索了不同α值(a=NH3/(BCl3+SiCl4))、β值(b=H2/(BCl3+SiCl4))及SiCl4流量对SiBN界面沉积速率的影响。结果表明沉积速率随着α值、β值增加均呈现出先增加后减少趋势,沉积速率及界面相中Si元素含量随着SiCl4流量增加呈现出先增加后增速趋缓的变化趋势。以SiCl4-NH3-H2为反应体系在碳纤维表面制备Si3N4界面,探索了温度对纤维表面Si3N4界面沉积动力学、形貌及热处理对界面结构的影响。结果表明,氮化硅沉积随温度变化经历三个控制阶段:750oC850oC范围内,反应主要由表面反应控制;850oC1050oC范围内,反应主要由质量传输控制;1050oC以上反应由气相形核控制。随着温度的升高,纤维表面形貌逐渐由光滑变得粗糙,同时界面沉积存在明显渗透梯度,主要沉积在预制体外部纤维表面。1300oC及以上热处理可以使界面结晶度提高,1500oC热处理后非晶态完全转变为结晶态a-Si3N4。采用CVI加PIP两种工艺联合制备SiCf/SiC复合材料,研究了SiBN界面、(SiBN/Si3N4)n复合界面对材料弯曲强度的影响。研究发现:(1)随着SiBN界面相厚度从300nm增加至2000nm,材料弯曲强度呈现出先增加后减少的趋势,界面厚度为1180nm时弯曲强度最大;(2)(SiBN/Si3N4)n复合界面引入至复合材料中同样可以使材料保持较高的力学性能,材料强度受复合界面层数影响较大,层数为2、3时材料强度可以达到300MPa以上;(3)在保持整个复合界面相厚度不变的情况下,(SiBN/Si3N43复合界面中Si3N4子层厚度的增加会降低材料的整体弯曲强度。另外,紧靠纤维表面过薄的SiBN界面相对材料弯曲强度造成的损失可以通过增加其余SiBN子层厚度来弥补。研究了SiBN界面、(SiBN/Si3N4)n复合界面、SiC涂层保护对材料在1000oC水氧100h后弯曲强度的影响,研究发现:(1)不同SiBN界面厚度SiCf/SiBN/SiC材料氧化后强度均有所降低,这与界面相被氧化有关;(2)SiCf/(SiBN/Si3N4)n/SiC复合材料水氧后强度保留率优于SiCf/SiBN/SiC材料,界面仅有少许氧化,说明复合界面具有更为优异的抗氧化性;(3)采用SiC作为涂层保护SiCf/(SiBN/Si3N4)n/SiC复合材料,材料表现出更为优异的抗氧化性能,界面几乎完好无损,并且长时间高温热处理明显改善了复合界面相中各子层间结合状态,裂纹在各子层之间能够发生有效的偏转。
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