基于多尺度结构设计的氮化硅陶瓷制备与性能研究

发布时间：2020-08-12 10:37

【摘要】：多孔氮化硅具有优秀的耐高温性能、较高的强度和较低的介电常数,成为航空航天领域的重要材料。但氮化硅耐力学和热冲击能力差,容易发生力学冲击断裂和热震断裂,严重限制了在工程上的应用。因此提高氮化硅材料抵抗力学冲击和热冲击的能力成为本文的研究目标。为了不损失氮化硅材料的介电性能和高温使用性能,本文在改善材料性能时不引入金属或有机材料,仅从材料结构控制的角度研究改善多孔氮化硅力热性能的方法。自然界的骨骼、贝壳、骨针等生物材料存在丰富的多尺度结构,在不同尺度上有着不同的力学效果,能够避免单一尺度上的性能缺陷,而这正是工程陶瓷材料难以解决的问题。而层状陶瓷利用高低模量层的搭配,在断裂过程中使裂纹沿弱界面处偏转,能够起到能量耗散的增韧效果。因此本文以生物材料的多尺度结构为设计参考,以层状结构为宏观结构,以多孔氮化硅为微观结构,控制层间结合将二者组合,得到多尺度结构氮化硅,以实现更有效的裂纹偏转效果。为了达到这一目的,本文利用计算机进行了前期模拟设计。微观结构的数值计算结果表明,气孔率是影响氮化硅模量的主要因素,而晶粒的形貌对模量影响较小。模拟宏观层状结构,高低模量之比R值较大时,材料应力集中明显,会影响材料整体强度,且断裂时易发生层间剥离。为了保证材料强度,本文从高低模量之比R2开始设计层状结构,研究能使裂纹有效偏转的最小R值。采用流延成型工艺和层叠的方法制备多尺度氮化硅结构。研究了分散剂种类、含量、粉体固相含量、粘结剂与塑化剂的比值对流延浆料流变性能的影响,制备出厚度100-300微米的薄层氮化硅陶瓷。在流延成型浆料中,添加适当的材料调控多孔陶瓷的模量和微观形貌。改变烧结助剂含量、BN含量、β相晶种含量可以分别制备出模量为35-270GPa、82-166GPa、70-174GPa的氮化硅单层。同时助剂含量会改变氮化硅的长径比,BN会抑制棒状晶的生长,而β相晶种则会促进棒状晶的生长。研究多尺度结构中微观模量和形貌的变化对材料强度和断裂功的影响。结果表明,当添加BN的多尺度结构氮化硅高低模量之比R等于2.28,添加β相晶种的高低模量之比R等于2.81时,材料在断裂过程中开始出现明显的裂纹偏转,偏转出现在低模量层内或层间。由此产生的能量耗散效果,使其比普通结构在相同密度下断裂功可分别提高40%和90%。低模量层氮化硅长径比较大时,断裂功受气孔率影响较大,棒状晶的搭接一定程度上抑制了气孔率对材料断裂性能的影响。相同气孔率条件下,添加BN的多尺度结构氮化硅的弯曲强度比普通结构高90%以上,添加晶种的多尺度结构则与普通结构在强度上差异较小。利用残余强度法考核多尺度结构氮化硅的抗热震性效果,表明多尺度结构能明显提高氮化硅材料的抗热震性,能够将材料的抗热震温度提升200-600℃。利用多尺度结构的设计,实现了有效提升氮化硅材料的断裂功和抗热震性的目的,具有重要的工程应用价值。
【学位授予单位】：中国航天科技集团公司第一研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.1

【参考文献】