氮化硼納米管多級增強(qiáng)SiC fSiC復(fù)合材料制備結(jié)構(gòu)及性能研究

1、氮化硼納米管多級增強(qiáng) SiC_f/SiC 復(fù)合材料制備、 結(jié)構(gòu)及性能研連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料( SiCf/SiC )具有 低密度、耐高溫、抗氧化、高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn) , 已成為新一代高性能航 空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的重要候選材料。 引入纖維并設(shè)計(jì)合適的纖維 /基體界面, 可激 發(fā)界面脫粘、裂紋偏轉(zhuǎn)等能量消耗機(jī)制 , 賦予材料非脆性斷裂特征。但一方面, 纖維間、纖維束間、層間微區(qū)基體難以被微米尺度下的能量消耗 機(jī)制所強(qiáng)韌化 , 依然為脆性陶瓷 ; 另一方面 , 微區(qū)基體中裂紋萌生閾值較低 ,且裂紋擴(kuò)展不受阻礙 ,最終限制材料的機(jī)械性能。因此 ,作為材料中的薄弱區(qū)域 , 微區(qū) 基體

2、亟需通過更細(xì)微尺度的強(qiáng)韌化機(jī)制來改善性能。氮化硼納米管( BNNT)s 具有優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)、熱穩(wěn)定性能 , 抗氧化溫度高 達(dá)900r ,是一種非常有效的納米增強(qiáng)體。 將BNNT引入至材料中，作為除微米纖, 可改善基體的機(jī)械性能 ,維外的第二增強(qiáng)體 ,于納米尺度對微區(qū)基體進(jìn)行強(qiáng)韌化最終實(shí)現(xiàn)對材料整體性能的優(yōu)化。本文開發(fā)了簡化的機(jī)械球磨法 , 即首先對生長原料B 粉進(jìn)行球磨處理 , 然后BNNTs構(gòu)建出BNNTs纖在高壓氮?dú)鈿夥障峦嘶?, 最終成功于纖維表面原位生長 維多級增強(qiáng)體。本文首先探索了主要工藝參數(shù)對纖維表面 BNNTs原位生長形貌的影響。結(jié)果表明, 通過控制催化劑含量、前驅(qū)體漿料濃度、

3、原料物化性質(zhì)、生長溫 度、生長壓力等因素,可調(diào)控BNNT啲生長密度和長度。其次,分析了 BNNT啲微觀形貌、結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等特性。研究發(fā)現(xiàn),BNNTs具有多壁、竹節(jié)狀結(jié)構(gòu)，且具有兩種形貌管壁：串珠管壁和平直管壁 ; 前者納米管內(nèi)部和頂端包裹有催化劑顆粒 , 而后者催化劑顆粒位于納 米管的底端?；谏鲜龇治?, 并結(jié)合前驅(qū)體漿料的物相、粒徑、表面化學(xué)狀態(tài)等 分析結(jié)果,深入研究了纖維表面BNNTS原位生長過程和形成機(jī)理。結(jié)果顯示,串珠管壁和平直管壁BNNTS勺原位生長均遵循VLS機(jī)制中的應(yīng)力 誘導(dǎo)周期性生長模式 , 但由于催化劑顆粒與纖維表面的結(jié)合強(qiáng)度不同 , 前者按照 頂端生長模型進(jìn)行生長，而后

4、者按照底端生長模型進(jìn)行。在成功構(gòu)建出BNNTs纖 維多級增強(qiáng)體的基礎(chǔ)上,借助化學(xué)氣相滲透（CVI）和有機(jī)前驅(qū)體浸漬裂解（PIP） 工藝,制備了 BNNTs多級增強(qiáng)SiCvsubfv/sub/SiC 復(fù)合材料。首先探究了 BNNTs對材料的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明,BNNTs在材料中激發(fā)了納米管拔出、 界面脫粘、裂紋偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)等納米尺度的強(qiáng)韌化機(jī) 制，發(fā)揮了納米增強(qiáng)體作用；但是,BNNTs限制了材料致密化過程，造成纖維束內(nèi) 部致密化困難，而由此帶來的負(fù)面影響抵消了 BNNTs的納米增強(qiáng)體作用，導(dǎo)致材料宏觀機(jī)械性能并未改善 ； 通過對纖維束內(nèi)部預(yù)先 PIP 致密化處理 , 有望改善束 內(nèi)

5、難以致密的問題。其次,通過化學(xué)氣相沉積（CVD技術(shù)于納米管表面沉積BN界面相，系統(tǒng)研究 了 BNNTs基體界面調(diào)控的作用機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn),BNNTs/基體界面調(diào)控可降低BNNTs基體和纖維/基體界面結(jié)合強(qiáng)度,改善纖維和BNNTs的強(qiáng)韌化作用。因此，材料斷裂韌性得以提升,當(dāng)BN界面相的厚度為10-20、30-45、45-70 nm時(shí),斷裂韌性從 11 0.4 MPa.mvsup1/2v/sup分別提升至 13.0 1.2 14.0 1.1、 12.2 0.3 MPa.mvsup1/2v/sup 而當(dāng)BN界面相的厚度為10-20 nm時(shí)，材料彎曲強(qiáng)度也明顯改善,從296.8 17.6 MPa提升至3

6、42.5 11.9 MPa。此外,深入研究還發(fā)現(xiàn),BNNTs/基體界面的脫粘裂紋在BN界面相內(nèi)部擴(kuò)展，此界面脫粘方式可 產(chǎn)生大量枝化微裂紋 , 有利于充分發(fā)揮納米管的強(qiáng)韌化作用。最后,深入探究了 BNNTs多級增強(qiáng)SiCvsubfv/sub/SiC復(fù)合材料的損傷行為。結(jié)果顯示，未沉積和沉積界面相的BNNTs分別通過對基體裂紋的阻斷和偏轉(zhuǎn) 作用, 提高材料的損傷發(fā)展閾值 , 推遲材料的早期損傷過程 , 并且前者為“硬”模 式, 延遲效果不佳 , 而后者為“軟”模式, 推遲效果更顯著 ; 兩者均會(huì)導(dǎo)致材料過早 發(fā)生斷裂失效 , 但后者情況下 ,纖維/基體界面結(jié)合強(qiáng)度較低 ,僅略高于原始復(fù)合材料,

7、則最終斷裂失效也僅略早于原始復(fù)合材料。當(dāng)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)部件時(shí) , 具備優(yōu)異的抗氧化性能是SiCf/SiC 復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)長時(shí)間可靠服役的關(guān)鍵。本文重點(diǎn)考察了BNNTs多級增強(qiáng)SiCf/SiC復(fù)合材料的氧化行為,并深入分析了材料的抗氧化機(jī)理。研究表明 , 多級增強(qiáng)復(fù)合材料的抗氧化性能明顯優(yōu)于原始復(fù)合材料 , 其抗氧 化機(jī)理源于玻璃相Bvsub2v/subOvsub3v/sub：對PyC界面相的保護(hù)作用以及 存活BNNTs的納米增強(qiáng)體作用。900r靜態(tài)氧化環(huán)境下,原位生長BNNTsW殘留的B粉氧化形成低粘度玻璃相 B2O3，彌合氧氣擴(kuò)散通道,阻止氧氣向內(nèi)部擴(kuò)散,保護(hù)PyC界面相,且BNNTs可存活并維持納米增強(qiáng)體作 用;1000 r靜態(tài)氧化環(huán)境下,玻璃相揮發(fā)嚴(yán)重,氧氣擴(kuò)散不受阻礙，PyC界面相的氧化損傷嚴(yán)重，但BNNTs仍然可維持強(qiáng)韌化作用;900 r預(yù)制微裂紋氧化環(huán)境下,預(yù)制微裂紋經(jīng)過部分BNNTs則殘留B粉和部分BNNTs勻