铝硅酸盐纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的制备与性能

发布时间：2019-06-08 07:40

【摘要】：连续氧化物纤维增强氧化物(Oxide/Oxide)陶瓷基复合材料(CMCs)具有高韧性、高比强度和高比模量,抗氧化性能和介电性能优异,是目前高温结构和功能材料研究的重要方向。本文以连续铝硅酸盐(AS)纤维和氧化物(SiO_2和Al_2O_3-SiO_2)溶胶为原料,在纤维和基体特性研究的基础上,经溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺制备了AS_f/Oxide复合材料。重点研究了热处理温度对复合材料微观结构、力学性能和界面特性的影响。从力学性能优化的角度出发,开展了AS_f/Oxide复合材料的界面调控研究,采用的界面相为裂解碳(Py C)和牺牲碳(FC)。最后,从高温应用的角度出发,对优选的AS_f/Oxide复合材料的力/热/电等综合性能进行了研究。对AS纤维组成、结构和力学性能的高温演变行为进行了研究,结果表明:AS纤维主要由γ-Al_2O_3和无定形SiO_2组成,经1100℃处理后,发生莫来石化反应。随着温度的继续升高,莫来石晶粒逐渐长大。AS纤维表面均匀致密,经高温处理后,纤维表面逐渐变粗糙并形成明显的晶粒和微孔。纤维发生的晶型转变和晶粒长大过程对其力学性能影响较大。随着热处理温度的升高,纤维的强度分散性逐渐增加,单丝拉伸强度逐渐降低。当热处理温度低于1300℃时,强度保留率≥73.26%;1400℃热处理后,强度保留率降至33.69%。SiO_2溶胶中胶粒粒径较小、分散均匀度较高。其凝胶为无定形结构,经1400℃煅烧后,SiO_2玻璃中析出方石英。当烧结温度超过1000℃时,SiO_2陶瓷的烧结程度较高,致密度90.0%。Al_2O_3-SiO_2溶胶由球形SiO_2胶粒和棒状勃姆石胶粒组成,胶粒粒径较大。其凝胶由勃姆石和无定形SiO_2组成,经1300℃煅烧后,发生莫来石化反应。当烧结温度超过1200℃时,Al_2O_3-SiO_2陶瓷烧结程度较高,致密度80.0%。随着烧结温度的升高,SiO_2和Al_2O_3-SiO_2陶瓷的弹性模量和硬度均逐渐升高。开展了AS_f/Oxide复合材料的制备与性能研究,结果表明:随着热处理温度的升高,复合材料的密度逐渐升高、孔隙率逐渐降低,弯曲强度、剪切强度和断裂韧性均先升高后降低。900℃制备的AS_f/SiO_2复合材料的弯曲强度、剪切强度和断裂韧性均达最大,分别为119.7±7.5(MPa)、10.8±0.7(MPa)和4.0±0.4(MPa·m1/2)。当热处理温度高于1100℃时,AS_f/SiO_2复合材料中基体裂纹会贯穿纤维,纤维压入测试(Fiber push-in test)研究证实复合材料的界面剪切强度显著增加,TEM分析证实纤维与基体之间发生了扩散反应;1100℃制备的AS_f/Al_2O_3-SiO_2复合材料的弯曲强度、剪切强度和断裂韧性均达最大,分别为90.0±6.8(MPa)、11.1±1.0(MPa)和3.6±0.2(MPa·m1/2)。当热处理温度高于1200℃时,AS_f/Al_2O_3-SiO_2复合材料中基体裂纹会贯穿纤维,界面剪切强度显著增加且发生界面反应。研究了AS_f/Oxide复合材料的高温力学性能,结果表明:随着温度的升高,复合材料的弯曲强度先升高后降低,弹性模量则一直降低。900℃时,AS_f/SiO_2复合材料的弯曲强度达最大,为132.2±14.5(MPa);1000℃时,AS_f/Al_2O_3-SiO_2复合材料的弯曲强度达最大,为122.7±7.9(MPa)。开展了AS_f/Oxide复合材料的界面调控研究,结果表明:当CVD Py C涂层的沉积温度为1000℃、沉积时间低于5h时,涂层的生长过程受表面反应控制,涂层结晶性较好、厚度适中,涂层纤维的强度保留率较高。引入Py C界面相后,AS_f/Oxide复合材料的界面结合显著弱化,力学性能有所提升。TEM分析证实Py C界面相为乱层结构,且与纤维和基体的理化相容性较好。将Py C界面相氧化后,纤维与基体之间留下缝隙,形成牺牲碳(FC)界面相,载荷传递主要通过界面处的机械互锁和摩擦力来实现,纤维增韧机制可以有效发挥。缝隙宽度对复合材料的力学性能影响较大:当初始界面相沉积时间为3h时,1200℃制备的AS_f/FC/SiO_2复合材料的力学性能最优,弯曲强度和弹性模量分别为106.4±6.7(MPa)和23.3±3.0(GPa);当初始界面相沉积时间为3h时,1300℃制备的AS_f/FC/Al_2O_3-SiO_2复合材料的力学性能最优,弯曲强度和弹性模量分别为100.9±7.2(MPa)和30.0±1.4(GPa)。研究了AS_f/FC/Oxide复合材料的高温力学性能,结果表明:1100℃时,AS_f/FC/SiO_2复合材料的弯曲强度和弹性模量分别为106.5±15.8(MPa)和14.5±5.3(GPa);1200℃时,AS_f/FC/Al_2O_3-SiO_2复合材料的弯曲强度和弹性模量分别为83.0±5.1(MPa)和20.2±1.3(GPa)。采用图像关联法(DIC)研究了复合材料的断裂过程,发现复合材料中初始裂纹的诱导载荷低于峰值载荷,且高温时裂纹扩展速率变慢。研究了AS_f/Oxide复合材料的热物理性能、介电性能和热稳定性(热老化和抗热震),结果表明:AS_f/SiO_2和AS_f/Al_2O_3-SiO_2复合材料的室温热导率分别为0.28W/(m·K)和0.30W/(m·K),且均随温度的升高先降低后升高;室温热膨胀系数(CTE)分别为2.42×10-6/K和2.35×10-6/K。AS_f/SiO_2复合材料的CTE随温度的升高先增加,当温度超过210℃后稳定至5.19×10-6/K;AS_f/Al_2O_3-SiO_2复合材料的CTE随温度的升高缓慢增加,室温~1000℃区间内的平均CTE为5.03×10-6/K。AS_f/SiO_2和AS_f/Al_2O_3-SiO_2复合材料的室温介电常数和损耗角正切分别为3.63、0.28×10-2和4.75、0.19×10-2,且频散效应不明显,均随温度的升高而增加。1200℃时,两类复合材料的介电常数和损耗角正切分别增加至4.38、5.53×10-2和5.50、2.55×10-2(f=9.375GHz)。经1200℃处理10h(或热震考核20次)后,AS_f/SiO_2复合材料的弯曲强度保留率为34.7%(或58.6%);经1300℃处理10h(或热震考核20次)后,AS_f/Al_2O_3-SiO_2复合材料的弯曲强度保留率为78.0%(或74.6%)。可见,AS_f/Oxide复合材料的热导率适中、热膨胀系数较低、介电性能和热稳定性优异,是较优异的高温结构和功能材料。相对而言,AS_f/SiO_2复合材料的介电性能更为优异;AS_f/Al_2O_3-SiO_2复合材料的热稳定性更为优异,服役温度更高。
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【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB332
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本文编号：2495118