前驱体转化t-BNW的高温稳定性及其增强SiO2陶瓷的性能

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dimitrilyyl
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具有优异高温稳定性的大长径比(>50)氮化硼(BN)增强体是透波领域的迫切需求。然而,现有制备技术难以规模化制备高质量大长径比BN增强体,制约着氮化硼增强熔石英(BN/Si O2)复合陶瓷关键技术研究和工程化应用。本文基于自生长的三聚氰胺硼酸盐(C3N6H6(H3BO3)2)前驱体结合三步热解工艺,实现大长径比湍层氮化硼线(t-BNW)的可控制备;重点研究C3N6H6(H3BO3)2三步热解行为、热解机理以及新型态t-BNW的高温稳定性。在此基础上,采用热压烧结制备BNW/Si O2复合陶瓷,借助SEM、TEM、力学试验机等表征测试技术,探究BNW/Si O2复合陶瓷的组织结构演变、强韧化机制与热震损伤行为等。三聚氰胺(C3N6H6)、硼酸(H3BO3)通过分子间氢键结合形成C3N6H6(H3BO3)2。采用一步热解工艺(1600℃/N2/3 h或1200℃/NH3/3 h)无法获得表面光滑、残碳量低的BNW。基于三步热解(500℃/air/3 h,800℃/N2/1 h,1100℃/NH3/3 h)可获得表面光滑,残碳量低至0.25 wt.%,平均直径为2.28μm的t-BNW。在RT~500℃空气中,C3N6H6(H3BO3)2依次发生H3BO3域的脱水、C3N6H6的蒸发、C3N6H6的缩聚反应、BO低聚体与C3N6H6的交联反应及三嗪开环,生成BNOCH非晶与微量B2O3。RT~800℃氮气中主要发生-B-O-与自身-C=NH、-B-N=C-等反应,实现B-O3→O2-B-N→O-B-N2→B3-N3转变。高温氮化阶段NH3进一步氮化BNO非晶与微量B2O3生成非晶BN(a-BN),a-BN在高温作用下进行结构重整形成t-BN。t-BNW表现出媲美h-BNP(D50=10.4μm)的起始氧化温度(~950℃)与优异的抗氧化性能。抗氧化能力高于商业碳纤维(Cf)和Hi-Nicalon碳化硅纤维(Si Cf),良好的抗氧化性归于B-N共价键强于Cf与Hi-Nicalon Si Cf中的化学键强度。较高的无序度与微量易氧化C、H杂质导致t-BNW的氧化活化能(202.9 k J/mol)小于直径为10.4μm的h-BNP(330 k J/mol)。反应气体表面吸附与活性位点的形成使t-BNW存在氧化诱导期,表面缺陷密度是决定诱导期长短的主要因素。t-BNW的氧化行为由内在的微观结构与表面形貌决定,表现为受控于表面状态与几何形态,呈现出各向同性均匀氧化行为。基于模式函数法,随着氧化程度α增大,t-BNW的氧化行为分为二维随机成核(0~5%),二维相边界反应(5%~70%)与三维扩散控制(70%~75%)三个阶段。其中,二维随机成核阶段平均氧化活化能为234.03 k J/mol;三维扩散阶段平均氧化活化能受氧气通过B2O3熔体扩散控制,为168.50 k J/mol。此外,相比于N2,t-BNW在Ar中表现出更优异的高温稳定性,1600℃/Ar/1 h保温后,湍层结构几乎不改变,相对结晶度仅为相同条件N2中的15.56%。1300℃/30 MPa/10 min可基本实现BNW/Si O2复合陶瓷的致密化。复合陶瓷的微观结构由烧结温度主导控制,随温度升高Si O2依次历经晶核孕育(≤1250℃),晶粒形核(1250~1350℃)与晶粒长大(≥1350℃)阶段;t-BNW依次呈现均匀稳定结构(1250℃)、表芯衬度不同结构(1350℃)与皮壳结构(1450℃)。裂纹扩展路径更加曲折导致断裂表面能增大,20 wt%BNW/Si O2复合陶瓷的断裂韧性比块体熔石英高3.4倍,加之“软相”t-BNW导致硬度降低至2.8 GPa,综合表现为加工系数P*倍增,呈现优良的加工性。20 wt.%BNW/Si O2复合陶瓷的抗弯强度随温度(RT~1000℃)升高呈现先降低,800℃后缓慢升高的变化趋势,其表现为t-BNW强度退化、裂纹尖端钝化、应力松弛与表面缺陷愈合的平衡结果。BNW/Si O2复合陶瓷具有良好的介电性能,烧结温度控制的气孔率对介电性能具有绝对影响。t-BNW对复合陶瓷的介电常数影响较小;当气孔率较大时,高含量t-BNW导致多的BNW-Si O2界面散射叠加弥散气孔界面散射将显著增加复合陶瓷的介电损耗。BNW/Si O2复合陶瓷具有平稳且极小的热膨胀系数,得益于结晶程度不高的湍层结构与无大量方石英析晶。20 wt.%BNW/Si O2复合陶瓷呈现出优良的抗热震性能(?T=0~1200℃),残余强度保持率均高于70%。基于热震断裂理论和热震损伤理论建立的包含材料温度依赖性质的热震评估模型能合理揭示热震损伤机制。本研究工作首次提出三步热解C3N6H6(H3BO3)2晶须制备大长径比t-BNW的方法,阐明了新型态t-BNW在氧化环境中的抗氧化机制与惰性气氛环境中的高温稳定性,揭示t-BNW的引入对BNW/Si O2复合陶瓷的致密化、组织结构、力学性能和介电性能的影响规律。这是BN增强体研制的一次拓展,对于完善和丰富BN/Si O2体系的实验数据和理论研究具有重要意义。
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