sicsic复合材料的热压烧结制备与性能研究

sicsic复合材料的热压烧结制备与性能研究

1热压烧结工艺碳化硅陶瓷具有耐耐碱、耐腐蚀、耐热、耐热性好、热膨胀系数小、强度和硬度好等特点。将纤维碳有机化合物添加到典型的纤维中，具有非脆弱性。在使用条件下，它对裂缝没有敏感，不会受到人为破坏。因此，它在航空航天和新能源等领域具有广阔的应用前景。纤维增强SiC基复合材料的制备方法主要有化学气相渗透法(CVI)、有机前驱体浸渍与热解法(PIP)、反应烧结法(RS)以及热压烧结法(HP)等.这些方法各有优缺点,并且由于制备方法的不同,对纤维的要求也不同,所获得的复合材料的性能也有差异.采用热压烧结法制备纤维增强SiC基复合材料,由于制备条件苛刻,对纤维及工艺条件的选择也提出了更高的要求.自从1975年日本东北大学Yajima教授等人发明SiC纤维以来,各国科学家对此进行了不懈的努力,使SiC纤维的性能不断改进并逐渐商业化.通过采用特殊热解条件和高温热解技术等,九十年代后期相继开发出结晶良好、接近化学计量组成、力学性能优良、尤其是耐高温的SiC纤维,从而为在相对苛刻条件下制备高性能SiC/SiC复合材料打下了基础.本研究以日本宇部兴产公司开发的TyrannoSASiC陶瓷纤维,采用热压烧结工艺制备SiC/SiC复合材料,并探讨粉料颗粒、烧结温度、烧结压力对复合材料显微结构和各种性能的影响.2实验方法和材料研究采用热解炭(PyC)涂层的TyrannoSA纤维(日本宇部兴产公司提供)制备SiC/SiC复合材料,涂层纤维热解炭的厚度为0.8μm.纳米和亚微米β-SiC粉末用于基体的形成,纳米粉末的平均粒径为30nm,亚微米粉末的平均粒径为0.3μm,Al2O3(99.9%)和Y203(99.9%)为烧结助剂.将SiC纤维首先缠绕并固定在框架上,然后在含有聚炭硅烷、烧结助剂、纳米或亚微米SiC的料浆中浸渍,经热解后剪裁成30mm×30mm的方片,这些方片再经浆料浸渍、干燥后在石墨模具中沿一维方向堆叠,然后进行热压烧结.烧结温度在1750～1800℃,压力为15～20MPa.由于纳米SiC和亚微米SiC在纤维间的浸渍效率有很大的差异,采用含纳米SiC的浆料浸渍,经烧结后复合材料中的纤维含量在～30vol%左右,而采用含亚微米SiC的浆料浸渍,经烧结后复合材料中的纤维含量在～22vol%左右(根据烧结后复合材料密度的不同,纤维含量有所差异).烧结后的样品沿平行纤维方向切割并加工成3mm×1.6mm×30mm的试条用于拉伸试验.拉伸实验在INSTRON5581材料实验机上进行.拉伸试条的两端面用环氧树脂粘结3mm×6mm左右的小铝片,充分固化后,将试条固定在拉伸实验夹具中进行拉伸试验测试.样品的密度通过阿基米德法测定,采用扫描电镜(SEM)观察显微结构.3结果和讨论3.1提高烧结密度的方法为减小高温加压条件下复合材料致密化过程中导致的纤维损伤,烧结过程宜在尽量低的温度压力条件下进行.为确定烧结工艺过程,首先对含有添加剂的纳米SiC粉末和亚微米SiC粉末进行烧结,结果示于图1.从图中可以看出,对于采用纳米SiC粉末的烧结体,压力为15MPa时,1750℃下可以获得较高的密度,温度高于1780℃时,密度可达99%以上.而对于采用亚微米SiC粉末的烧结体,压力为15MPa时,只有在温度较高时(1800℃),才能获得较高的密度.因此纳米SiC粉体由于具有较大的比表面积(110m2/g),烧结活性高,有利于在较低的温度下促进其致密化.对于复合材料的烧结,由于纤维的引入,在致密化过程中纤维的重排产生阻力,因此相对于单相SiC的烧结,需有更高的温度或压力促进致密化.对于采用纳米SiC粉末制备的复合材料(N-SiC/SiC),在1780℃、20MPa条件下可获得密度较高的复合材料.如表1所示;而对于采用亚微米SiC粉末制备的复合材料(M-SiC/SiC),提高烧结温度则更有利于复合材料密度的改善,如表2所示.3.2密度对n-sic/sic复合材料微观结构的影响图2给出了抛光断面的扫描电镜观察结果,可以看出,在本研究制备条件下,形成了较明显的纤维间基体层,该层基体类似于单相SiC的烧结,较为致密.从断面上看,气孔主要分布于纤维束内的区域.对于在1780℃、20MPa条件下制备的密度较高的N-SiC/SiC复合材料,微气孔仍然较广泛的存在于纤维束内,同时在这一区域,还可以观察到密度较高的基体.而在M-SiC/SiC复合材料中,如图3所示,基体更广泛的分布于纤维束内,这主要由于采用亚微米SiC粉体制备的浆料在纤维编织体内的浸渍效率更高,更易于在纤维间分散.在相同的压力(15MPa)条件下,温度较低(如1780℃),其复合材料的致密化程度较低,温度升高至1800℃,可以获得密度较高的复合材料.3.3应力-应变本构模型从表1中可以看出,在15MPa压力下,N-SiC/SiC复合材料的力学性能随烧结温度的升高而增大.当温度为1780℃时,压力增加到20MPa,所烧结样品性能亦有改善,说明在本实验条件下,N-SiC/SiC复合材料的力学性能与烧结致密化过程一致,即致密化程度越高,力学性能愈好.对于M-SiC/SiC,在15MPa压力下,提高烧结温度仅可改善复合材料的弹性模量,较好的力学性能也在1780℃,20MPa条件下获得.图4和5对比了1780℃、20MPa条件下采用纳米SiC和亚微米SiC制备的复合材料的应力-应变曲线.通常,应力-应变曲线能反映出复合材料所固有的性质,即弹性形变、基体裂纹形成与扩展、纤维弹性拉长和纤维断裂.由于制备条件的不同,烧结后复合材料的显微结构也有所差异,因此对复合材料的性能也有不同的影响.当压力较大(1780℃、20MPa)或温度较高(1800℃、15MPa)时,应力-应变曲线滞后环较窄,并且在零载荷时永久应变较小.这些特征均反映出纤维与基体之间的结合较强.图4中的应力-应变曲线有较宽的曲面区域,之后伴随有较小的第二线性区域.在这一阶段,基体裂纹的产生与扩展、纤维与基体的脱粘以及纤维的断裂持续发生,直到材料破坏.而图5中的应力-应变曲线中,几乎不存在第二线性区域,基体裂纹产生与扩展的同时发生纤维与基体的脱粘以及纤维的断裂.图6和7分别对比了两种复合材料的断裂表面.图6中有明显的较长纤维的拔出,尤其在纤维束内(如图6(a)所示),反映了该区域适中的界面结合.这主要由于纳米SiC颗粒具有较大的比表面积,表面能较大,在高温加压条件下颗粒易于重排而促进烧结,缓和了烧结过程中基体与纤维之间的相互作用.而在图7所示的M-SiC/SiC复合材料断裂表面上,纤维的拔出受到了很大的限制,以较短纤维的拔出为主要特征,这主要由于亚微米SiC颗粒在高温加压条件下颗粒重排过程中,基体与纤维之间的作用增强,强化了基体与纤维之间的结合.图8对比了采用纳米SiC和亚微米SiC制备复合材料过程中,基体与纤维在热解炭界面上的作用情况.可以发现,采用纳米SiC,所形成的基体断面较细腻,界面光滑.而采用亚微SiC时,界面明显粗糙,表明烧结过程中作用到界面上的力较强,这种力进一步传递到纤维表面上,从而抑制纤维的拔出.这些结果也很好的对应了前述应力-应变曲线所给出的信息.4复合材料的结构性能1.采用纳米SiC和亚微米SiC粉料作为形成基体的原料,通过热压烧结技术制备了SiC/SiC复合材料,粉料的粒度、烧结温度和烧结压力均对复合材料的各种性能产生影