一維納米材料增強的碳化物陶瓷基復合材料.pdf

1、提高連續(xù)纖維增韌碳化物陶瓷基復合材料的力學性能，縮短其制備周期，特別是加快化學氣相滲透法（CVI）制備該材料時冗長的致密過程，是滿足科技發(fā)展對結(jié)構(gòu)材料日益增長的要求和降低成本、擴大此類材料應(yīng)用范圍所面臨的關(guān)鍵問題。一維納米材料，如碳納米管（CNT）和氮化硅（Si3N4）納米線等，具有極高的強度和韌性，是脆性陶瓷理想的增強體。將一維納米材料引入碳化物陶瓷基復合材料中不僅能夠改善其力學性能，還可優(yōu)化復合材料的預制體結(jié)構(gòu)，從而加快其 CVI制

2、備過程。但是，到目前為止，制備一維納米材料增強的陶瓷基復合材料還存在許多問題，系統(tǒng)的研究尚未展開，材料的力學性能也有待進一步提高。
　　因此，本文采用CVI方法制備了定向碳納米管增強的碳化硅（ACNT/SiC）和碳化硼（ACNT/B4C）陶瓷基復合材料，以及Si3N4納米線改性的Mini和三維縫合碳纖維增強碳化硅（C/SiC）陶瓷基復合材料。通過對這些材料的制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)、界面設(shè)計、力學性能和抗氧化性能等方面的系統(tǒng)研究，為一維

3、納米材料在陶瓷基復合材料中的應(yīng)用奠定實驗和理論基礎(chǔ)。具體的研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　（1）ACNT/SiC陶瓷基復合材料的制備和性能研究。以ACNT薄片為預制體，采用CVI方法滲透SiC基體，得到了高性能的ACNT/SiC復合材料。結(jié)果表明：1）可根據(jù)復合材料表面ACNT/SiC納米線的直徑變化情況和材料橫截面的微觀形貌，優(yōu)選CVI工藝參數(shù)；2）采用CVI技術(shù)有效地解決了以往制備CNT增強陶瓷基復合材料的過程中遇到的CNT團聚、損

4、傷，以及與陶瓷基體結(jié)合強度低等技術(shù)難題，使得結(jié)構(gòu)完整的ACNT增強體得以在復合材料中均勻分布，并與無裂紋的非晶態(tài)SiC基體形成了較強的界面結(jié)合；3）ACNT自身臺階狀的斷裂拔出及其橋聯(lián)增韌作用，使復合材料的力學性能得到了明顯的提高，隨著滲透時間的增加，ACNT/SiC納米線的力學性能逐漸降低，然而，經(jīng)30 min滲透得到的納米線的斷裂強度仍要比傳統(tǒng)SiC材料高出約1個數(shù)量級；4）1600 ℃以下，復合材料內(nèi)部的ACNT增強體得到了有效的

5、保護，未發(fā)生明顯的氧化失效。
　　（2）ACNT/B4C陶瓷基復合材料的制備和性能研究。采用 CVI方法制備出了性能優(yōu)異ACNT/B4C復合材料。結(jié)果表明：1）復合材料中ACNT結(jié)構(gòu)完整、分布均勻，且與B4C基體結(jié)合強度高，非晶態(tài)的B4C基體均勻致密地包覆在ACNT表面，無裂紋產(chǎn)生；2）ACNT/B4C納米線的斷裂強度比傳統(tǒng)的B4C陶瓷及其復合材料高出了1~2個數(shù)量級；3）在700~900 ℃之間，復合材料表面形成的致密的B2O3

6、玻璃層可有效地保護材料內(nèi)部的ACNT增強體，避免其氧化失效。
　?。?）ACNT/B4C陶瓷基復合材料熱解碳（PyC）界面層的制備。先通過 CVI方法，向 ACNT薄片預制體內(nèi)滲透 PyC界面層，隨后制備出含 PyC界面層的ACNT/B4C（ACNT/PyC/B4C）復合材料。結(jié)果表明：1）通過工藝參數(shù)的優(yōu)化，能夠在 ACNT上獲得表面較為光滑平整，且厚度均勻可控的PyC界面層；2）得到的PyC界面層為石墨化程度較高的石墨烯層，它

7、們均勻完整地包覆在原始ACNT表面，形成了形貌統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)連續(xù)的整體；3）石墨烯層是通過在ACNT表面不斷交替進行的石墨烯形核和生長自組裝形成的；4）石墨烯層強度偏低、與原始ACNT結(jié)合較弱，說明其內(nèi)部存在缺陷，且與原始ACNT存在一定程度的晶格失配；5） ACNT/PyC/B4C復合材料呈現(xiàn)出明顯的臺階狀斷裂，說明 PyC界面層的引入有效地弱化了ACNT和B4C之間的結(jié)合，提高了復合材料的韌性。
　?。?）含Si3N4納米線的碳纖

8、維增強體的制備。采用催化劑輔助聚合物先驅(qū)體浸漬裂解法，在碳纖維束和碳布兩種碳纖維增強體上原位生長了純凈的α-Si3N4納米線。結(jié)果表明：1）納米線在碳纖維增強體上均勻分布，生長方向隨機，長度可達幾百微米，表面平整光滑，頂端無顆粒附著；2）納米線的生長遵從固-液-氣-固生長機理；3）原位生長的Si3N4納米線在碳纖維增強體表面構(gòu)成了一個疏松的網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)具有可設(shè)計性，可以通過工藝參數(shù)的改變調(diào)整其厚度和納米線密度。
　　（5）Si3N

9、4納米線改性的Mini-C/SiC復合材料的制備和性能研究。以原位生長了Si3N4納米線的碳纖維束為預制體，采用CVI方法制備出了兩種納米線密度不同的Mini-C/SiC復合材料。將它們與不含納米線的傳統(tǒng)Mini-C/SiC復合材料進行對比后發(fā)現(xiàn)：1）適量 Si3N4納米線的引入不僅實現(xiàn)了復合材料的快速致密化，還有效地增強了SiC基體，改善了材料的力學性能；2）納米線和碳纖維的體積分數(shù)分別在 Mini復合材料的基體強度和拉伸強度中起決定

10、性作用；3）復合材料中納米線的密度應(yīng)該在合理的區(qū)間內(nèi)，若其過高會導致材料致密度和力學性能的下降。
　?。?）Si3N4納米線改性的三維縫合C/SiC復合材料的制備和性能研究。以原位生長了Si3N4納米線的碳布為增強體，設(shè)計制備了兩種納米線含量不同的三維縫合預制體，并通過CVI方法滲透SiC基體，最終得到了兩種Si3N4納米線改性的三維縫合C/SiC復合材料。將它們與不含納米線的傳統(tǒng)三維縫合C/SiC復合材料進行對比后發(fā)現(xiàn)：1）適量