SPS燒結(jié)Graphene-SiBCN陶瓷及其高溫性能.pdf

1、SiBCN陶瓷以其優(yōu)越的抗蠕變、抗氧化和組織穩(wěn)定性等性能使其成為目前結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，但SPS燒結(jié)制備的SiBCN陶瓷斷裂韌性值低、高溫抗熱震性以及燒蝕性能鮮有研究，有關(guān)該復(fù)合陶瓷的氧化機(jī)制及微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其抗氧化的研究較少。本文通過(guò)改進(jìn)Hummers法制備Graphene/SiBCN陶瓷以期改善該復(fù)合陶瓷的脆性并研究石墨烯的增韌機(jī)制，通過(guò)對(duì)不同成分的Graphene/SiBCN陶瓷物相分析和組織形貌觀察來(lái)分析其微觀結(jié)構(gòu)。研究石墨

2、烯含量對(duì)其Graphene/SiBCN陶瓷性能影響規(guī)律，通過(guò)對(duì)Graphene/SiBCN陶瓷氧化行為、抗熱震以及抗燒蝕性能的研究，為其在航天防熱領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　研究發(fā)現(xiàn)高錳酸鉀的加入量以及加入時(shí)間的選擇對(duì)石墨的氧化程度起到非常重要作用。XRD、FT-IR和拉曼光譜分析表明，經(jīng)過(guò)氧化后制備得到氧化石墨烯和石墨烯在結(jié)構(gòu)上與石墨存在明顯差異，SEM、TEM和AFM視野下石墨烯和氧化石墨烯形貌表明，片層狀的氧化石墨烯厚度較厚，

3、層數(shù)較多，石墨烯形貌在TEM視野下呈現(xiàn)卷曲褶皺，六邊形的電子衍射花樣表明其苯環(huán)的共軛結(jié)構(gòu)得到了恢復(fù)。石墨烯的加入對(duì)BNC相的生成起到促進(jìn)的作用，以1Vol％的Graphene/SiBCN陶瓷BNC相含量最多。
　　石墨烯的加入對(duì)Graphene/SiBCN陶瓷斷裂韌性的改善是顯著性的，斷裂韌性值隨著石墨烯含量的不斷增加而增大。石墨烯含量為5Vol%時(shí)，該復(fù)合陶瓷斷裂韌性達(dá)到了最大5.40±0.63MPa·m1/2，隨著石墨烯含量進(jìn)

4、一步增加到10Vol%，致密度下降到77.24%，斷裂韌性隨之降低。Graphene/SiBCN陶瓷中石墨烯的增韌機(jī)制主要有：石墨烯的拔出、橋聯(lián)、裂紋穿透石墨烯、裂紋偏轉(zhuǎn)。
　　不同的氧化溫度下BNC含量對(duì)方石英的結(jié)晶析出起到了很大的抑制作用。體積分?jǐn)?shù)為1%的Graphene/SiBCN陶瓷在1100℃下表面孔洞較多，隨著溫度的升高到1300℃，不同成分的復(fù)合陶瓷氧化層致密光滑，與基體結(jié)合良好。在1500℃氧化溫度下，1Vol%的

5、Graphene/SiBCN陶瓷抗氧化性能表現(xiàn)優(yōu)越，氧化層致密且與基體保持很好的強(qiáng)度結(jié)合，其余兩種成分的Graphene/SiBCN陶瓷在該溫度下氧化表面生成了海綿狀的SiO2多孔結(jié)構(gòu)，氧化表面粗糙多孔。在1600℃下，SiO2流動(dòng)性增強(qiáng)因而填充了大部分微小孔洞，但表面仍然存在著直徑較大的孔洞，Graphene/SiBCN陶瓷的氧化過(guò)程是一個(gè)伴隨著 BNC不斷消耗和SiO2不斷生成的持續(xù)失重過(guò)程。從熱力學(xué)上看，SiC相的氧化反應(yīng)要優(yōu)先于

6、BNC相和C（石墨烯），而動(dòng)力學(xué)上看 BNC和C（石墨烯）的氧化速率要遠(yuǎn)大于SiC，因此Graphene/SiBCN陶瓷的氧化過(guò)程主要由動(dòng)力學(xué)來(lái)控制。
　　熱震溫度為1000℃時(shí)1Vol%Graphene/SiBCN陶瓷SiO2的衍射峰強(qiáng)度幾乎沒(méi)有，說(shuō)明在該熱震溫度下表面的SiO2含量很少，隨著熱震溫度提高，SiO2衍射峰逐漸出現(xiàn)，但1Vol%Graphene/SiBCN陶瓷SiO2直到1400oC仍然保持著非晶衍射峰，而2Vol

7、%Graphene/SiBCN陶瓷在1200oC已經(jīng)出現(xiàn)了SiO2晶體衍射峰。經(jīng)過(guò)1400℃熱震保溫10min后，在1Vol%Graphene/SiBCN陶瓷和2Vol%Graphene/SiBCN陶瓷斷口上均可以看到大片石墨烯拔出的現(xiàn)象，其增韌效果依然顯著。
　　5Vol%Graphene/SiBCN陶瓷與10Vol% Graphene/SiBCN陶瓷的抗燒蝕性能要優(yōu)于純SiBCN陶瓷，三者的質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率分別為0.018