一维纳米材料增强的碳化物陶瓷基复合材料

发布时间：2018-11-17 19:20

【摘要】：提高连续纤维增韧碳化物陶瓷基复合材料的力学性能,缩短其制备周期,特别是加快化学气相渗透法(CVI)制备该材料时冗长的致密过程,是满足科技发展对结构材料日益增长的要求和降低成本、扩大此类材料应用范围所面临的关键问题。一维纳米材料,如碳纳米管(CNT)和氮化硅(Si3N4)纳米线等,具有极高的强度和韧性,是脆性陶瓷理想的增强体。将一维纳米材料引入碳化物陶瓷基复合材料中不仅能够改善其力学性能,还可优化复合材料的预制体结构,从而加快其CVI制备过程。但是,到目前为止,制备一维纳米材料增强的陶瓷基复合材料还存在许多问题,系统的研究尚未展开,材料的力学性能也有待进一步提高。因此,本文采用CVI方法制备了定向碳纳米管增强的碳化硅(ACNT/SiC)和碳化硼(ACNT/B4C)陶瓷基复合材料,以及Si3N4纳米线改性的Mini和三维缝合碳纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料。通过对这些材料的制备工艺、微观结构、界面设计、力学性能和抗氧化性能等方面的系统研究,为一维纳米材料在陶瓷基复合材料中的应用奠定实验和理论基础。具体的研究内容和结果如下:(1)ACNT/SiC陶瓷基复合材料的制备和性能研究。以ACNT薄片为预制体,采用CVI方法渗透SiC基体,得到了高性能的ACNT/SiC复合材料。结果表明:1)可根据复合材料表面ACNT/SiC纳米线的直径变化情况和材料横截面的微观形貌,优选CVI工艺参数;2)采用CVI技术有效地解决了以往制备CNT增强陶瓷基复合材料的过程中遇到的CNT团聚、损伤,以及与陶瓷基体结合强度低等技术难题,使得结构完整的ACNT增强体得以在复合材料中均匀分布,并与无裂纹的非晶态SiC基体形成了较强的界面结合;3)ACNT自身台阶状的断裂拔出及其桥联增韧作用,使复合材料的力学性能得到了明显的提高,随着渗透时间的增加,ACNT/SiC纳米线的力学性能逐渐降低,然而,经30 min渗透得到的纳米线的断裂强度仍要比传统SiC材料高出约1个数量级;4)1600°C以下,复合材料内部的ACNT增强体得到了有效的保护,未发生明显的氧化失效。(2)ACNT/B4C陶瓷基复合材料的制备和性能研究。采用CVI方法制备出了性能优异ACNT/B4C复合材料。结果表明:1)复合材料中ACNT结构完整、分布均匀,且与B4C基体结合强度高,非晶态的B4C基体均匀致密地包覆在ACNT表面,无裂纹产生;2)ACNT/B4C纳米线的断裂强度比传统的B4C陶瓷及其复合材料高出了1~2个数量级;3)在700~900°C之间,复合材料表面形成的致密的B2O3玻璃层可有效地保护材料内部的ACNT增强体,避免其氧化失效。(3)ACNT/B4C陶瓷基复合材料热解碳(PyC)界面层的制备。先通过CVI方法,向ACNT薄片预制体内渗透PyC界面层,随后制备出含PyC界面层的ACNT/B4C(ACNT/PyC/B4C)复合材料。结果表明:1)通过工艺参数的优化,能够在ACNT上获得表面较为光滑平整,且厚度均匀可控的PyC界面层;2)得到的PyC界面层为石墨化程度较高的石墨烯层,它们均匀完整地包覆在原始ACNT表面,形成了形貌统一、结构连续的整体;3)石墨烯层是通过在ACNT表面不断交替进行的石墨烯形核和生长自组装形成的;4)石墨烯层强度偏低、与原始ACNT结合较弱,说明其内部存在缺陷,且与原始ACNT存在一定程度的晶格失配;5)ACNT/PyC/B4C复合材料呈现出明显的台阶状断裂,说明PyC界面层的引入有效地弱化了ACNT和B4C之间的结合,提高了复合材料的韧性。(4)含Si3N4纳米线的碳纤维增强体的制备。采用催化剂辅助聚合物先驱体浸渍裂解法,在碳纤维束和碳布两种碳纤维增强体上原位生长了纯净的α-Si3N4纳米线。结果表明:1)纳米线在碳纤维增强体上均匀分布,生长方向随机,长度可达几百微米,表面平整光滑,顶端无颗粒附着;2)纳米线的生长遵从固-液-气-固生长机理;3)原位生长的Si3N4纳米线在碳纤维增强体表面构成了一个疏松的网络,此网络具有可设计性,可以通过工艺参数的改变调整其厚度和纳米线密度。(5)Si3N4纳米线改性的Mini-C/SiC复合材料的制备和性能研究。以原位生长了Si3N4纳米线的碳纤维束为预制体,采用CVI方法制备出了两种纳米线密度不同的Mini-C/SiC复合材料。将它们与不含纳米线的传统Mini-C/SiC复合材料进行对比后发现:1)适量Si3N4纳米线的引入不仅实现了复合材料的快速致密化,还有效地增强了SiC基体,改善了材料的力学性能;2)纳米线和碳纤维的体积分数分别在Mini复合材料的基体强度和拉伸强度中起决定性作用;3)复合材料中纳米线的密度应该在合理的区间内,若其过高会导致材料致密度和力学性能的下降。(6)Si3N4纳米线改性的三维缝合C/SiC复合材料的制备和性能研究。以原位生长了Si3N4纳米线的碳布为增强体,设计制备了两种纳米线含量不同的三维缝合预制体,并通过CVI方法渗透SiC基体,最终得到了两种Si3N4纳米线改性的三维缝合C/SiC复合材料。将它们与不含纳米线的传统三维缝合C/SiC复合材料进行对比后发现:1)适量Si3N4纳米线的引入可以起到加快复合材料致密速度、提高材料致密度、增强SiC基体和改善材料力学性能的作用;2)引入Si3N4纳米线时,需对复合材料的预制体结构进行合理设计,避免因纳米线的过量添加而导致的材料致密度和力学性能的降低。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ174.758.2

【参考文献】