短碳纤维增强反应烧结碳化硅复合陶瓷机理研究

以碳化硅粉末、纳米碳黑、短碳纤维为原料,采用模压成型、反应烧结法制备了力学性能优异的碳化硅复合陶瓷。对短碳纤维增强反应烧结碳化硅复合陶瓷的机理进行了研究。结果表明:纳米碳黑由于其更高的反应活性,有效的抑制了短碳纤维与硅的反应,碳纤维仅外层与硅反应生成β-Si C,少量硅通过扩散进入碳纤维内层,短碳纤维得到有效保护。纳米碳黑完全反应的同时,碳纤维作为部分碳源填充了更多坯体气孔,更多气孔被Si之外的相填充使得复合陶瓷烧结体的残硅体积分数由20%降至12%,且有效的抑制了硅岛的形成。材料断口形貌中可观察到纤维拔出、纤维脱粘、和大量细小β-Si C晶粒拔出。相比于传统的反应烧结碳化硅陶瓷,添加碳纤维的碳化硅复合陶瓷的断裂韧性由4.06 MPa·m~(1/2)提升至5.11 MPa·m~(1/2);烧结体体积密度由3.04 g/cm~3降低至2.98 g/cm~3,弯曲强度由295 MPa提升至379MPa,碳化硅复合陶瓷的比强度提升了31%。     

SPS制备致密碳化硼陶瓷的结构及性能

以富硼碳化硼粉体为原料,采用放电等离子烧结(SPS)制备致密碳化硼陶瓷体,研究了SPS工艺对碳化硼陶瓷结构和性能的影响.结果表明,SPS烧结工艺可以低温快速烧结得到致密度达到99.7%的碳化硼陶瓷体,烧结温度和烧结时间对碳化硼的致密度和晶粒尺寸都有影响.烧结过程中样品晶粒表面产生玻璃相,玻璃相的存在使碳化硼断裂机制由穿晶断裂过渡为沿晶断裂,有助于提高材料断裂强度和断裂韧性.SPS制备的致密碳化硅陶瓷材料具有良好的力学性能,其中致密度达到99.6%,抗弯强度达到550.1 MPa,硬度39.52 GPa.     

B4C-ZrB2-SiC复合材料的制备及性能研究

为了改善碳化硼的强韧性和加工性能,通过在B4C基体中,分别添加体积分数为20%、30%、40%的ZrB2-SiC添加剂,在烧结温度1900℃,烧结压力30MPa,烧结时间60min条件下,制备了相对密度94.4%～96.2%的B4C-ZrB2-SiC陶瓷基复合材料,并对其进行了力学性能测试和微观组织分析。研究表明,与纯B4C陶瓷相比,不同体积分数的ZrB2-SiC加入,使碳化硼陶瓷基复合材料的断裂韧性达到(3.9±0.3)MPa·m1/2,抗弯强度在(232.8±10.2)MPa到(336.8±6.1)MPa之间,维氏硬度在(26.9±0.3)GPa到(35.0±0.2)GPa之间。同时,ZrB2-SiC添加剂的加入,极大地改善了B4C陶瓷基复合材料的加工性能,使复杂形状的加工成为可能,并且改善了加工质量,降低了成本。     

注射成型制备碳化硅陶瓷材料

以高纯SiC微粉为原料，添加碳化硼、碳为烧结助剂，研究了利用注射成型技术生产碳化硅陶瓷复杂件的工艺。选择了一种石蜡基多聚物粘结剂体系，在粉体体积分数为52％时，喂料的最佳注射参数是：注射温度160～170℃，注射压力为100-110MPa，采用溶剂脱脂加上热脱脂的二步法脱脂工艺，在氩气氛下，将烧结坯体于2100℃，保温1h进行固相烧结后，得到的碳化硅陶瓷复杂件密度为3．08g／cm^3，致密度为96％。     

短碳纤维增强羟基磷灰石生物材料的制备与性能

以短碳纤维(Cf)为增强体,采用湿法搅拌均化和自组装合成工艺使短碳纤维均匀分散于反应生成的羟基磷灰石(HA)粉体中,30 MPa下将复合粉体压制成型,并于1250℃氮气保护气氛常压烧结制备了短碳纤维增强羟基磷灰石生物复合材料(Cf/HA).为提高复合材料的界面结合,低温氧化法对碳纤维进行表面处理.采用IR,SEM技术研究短碳纤维处理前后的表面状态;SEM观察复合粉体的分散效果及复合陶瓷的断口形貌;三点弯曲法测其抗弯强度;单边切口梁法测其断裂韧性.实验结果表明碳纤维的表面处理对力学性能有很大影响,可大大提高复合材料界面结合强度,Cf添加量为0.5%(质量分数)时,增强效果最为理想,最大抗弯强度为67.70 MPa,断裂韧性达1.18 MPa.m1/2,比Cf未氧化处理的复合材料分别提高近20%和18%.研究表明湿法搅拌均化和自组装合成工艺是一种行之有效的均化技术,具有最小的纤维损伤度、高的碳纤维体积分数以及操作便利等优点,常压下烧结制备的短Cf/HA复合材料是一种很有发展前途的骨替代植入材料.     

SPS+热轧法制备的B_4C/Ti复合材料组织及力学性能的研究

采用不同体积分数的碳化硼粉与钛粉通过放电等离子烧结(SPS)和轧制的方法制备钛基复合材料板材,并对所制备复合材料的密度、显微硬度、微观组织、物相、拉伸性能以及断口形貌等进行了系统研究。结果表明:随着碳化硼颗粒含量的提升,烧结态和轧制态复合材料的密度和显微硬度也相应上升。XRD分析显示,TiC与TiB在碳化硼颗粒与钛基体之间形成,3vol%B_4C的轧制态钛基复合材料的最大抗拉强度能够达到800 MPa,抗拉强度的提高是由于TiC与TiB的作用。断裂主要发生在B4C颗粒和B4C颗粒与基体的界面之间。     

基于包混和复合添加工艺的多孔碳化硅陶瓷的制备和性能

采用包混工艺合成核-壳结构的硅-树脂先驱体粉体,引入Al2O3-SiO2-Y2O3复合添加剂,通过成型、炭化和烧结工艺制备多孔碳化硅陶瓷。分析多孔碳化硅陶瓷样品的物相、形貌、孔隙率、热导率、热膨胀系数和抗热震性能。结果表明：复合添加能够在较低的温度下制得多孔碳化硅陶瓷;陶瓷样品的晶粒较小,明显增强了多孔碳化硅陶瓷的导热性能;复合添加提高了碳化硅陶瓷的抗热震性能,添加Al2O3-SiO2-Y2O3并且在1650℃下烧结制备的多孔碳化硅陶瓷经过30次热震后的抗弯强度损失率为6.5%;陶瓷样品的孔壁更加光滑,孔分布更均匀;复合添加对多孔碳化硅陶瓷热膨胀系数的影响较小。     

YAG引入方式对碳化硅陶瓷烧结特性、力学性能及结构的影响

采用溶胶-凝胶法和机械共混法分别引入烧结助剂YAG(Y3Al5O12)和Al2O3 Y2O3制备复合粉体,经过无压液相烧结制备碳化硅陶瓷材料,分析了烧结助剂引入方式对碳化硅陶瓷烧结、性能及结构的影响机制.研究结果表明,在1 950℃烧结45 min时,机械共混法制备的复合粉体可以获得较好的烧结性能,陶瓷具有较好的力学性能和显微结构,而溶胶-凝胶法制备的复合粉体则存在过烧.经烧结工艺优化,溶胶-凝胶法制备的复合粉体在1 860℃烧结1 h后,陶瓷可以获得更优的烧结性能、力学性能及更理想的显微结构.复合粉体中YAG相的提前形成及均匀分布促进复合粉体的快速致密,降低烧结温度,改善陶瓷的力学性能及显微结构.细晶、裂纹偏转和晶粒桥联是碳化硅陶瓷的主要增韧机制.     

喷雾造粒制备SiC-AIN复合粉体特性及烧结性能

采用水基料浆与流态化喷雾造粒相结合制备SiC-AIN复合粉体,分析复合粉体的粉体特性、成形性能及烧结特性,探讨SiC-AIN复相陶瓷的增强增韧机制.结果表明:喷雾造粒后,复合粉体的流动特性显著提高,粒度级配合理;随着压强增加,坏体密度在40～80、80～160和160～220 MPa范围内呈现阶梯式增长,160 MPa以上成形后素坯均匀致密,无硬球颗粒存在;无压烧结SiC-AIN复相陶瓷具有优越的烧结性能和力学性能,这是由于AIN对SiC晶粒形成生长势垒,并反应生成2H型固溶体,从而细化晶粒,导致裂纹扩展产生了绕道与偏转效应,呈现晶粒撕裂与拨出现象,协同改善了复相陶瓷的强度及断裂韧性.     

SiC晶片增韧ZrB_2复合陶瓷材料的制备与性能

研究了以氮化铝(AlN)为助烧剂的碳化硅晶片(SiC_(pl))增韧二硼化锆(ZrB_2)复合陶瓷材料的制备工艺,并测定其抗弯强度、断裂韧性、致密度和显微硬度.利用扫描电子显微镜(SEM)观察了样品的表面及断面形貌.复合陶瓷中SiC晶片的添加量分别为5%, 10%, 15%以及20%(体积分数, 下同),AlN作为烧结助剂添加量为3%.结果表明:适量SiC晶片的添加提高了SiC_(pl)/ZrB_2复合陶瓷的烧结致密度;SiC_(pl)/ZrB_2复合陶瓷的力学性能比纯ZrB_2陶瓷有所提高,抗弯强度和维氏硬度在5%SiC晶片添加量时达到最大,分别为(625.34±21.46) MPa和(14.60±0.84) GPa;断裂韧性在15%SiC晶片添加量时达到最大值(8.35 ± 0.26) MPa·m~(1/2).断口形貌观察表明主要增韧机制为裂纹偏转与晶片拔出.     

喷雾造粒制备SiC-AlN复合粉体特性及烧结性能

采用水基料浆与流态化喷雾造粒相结合制备SiC-AlN复合粉体,分析复合粉体的粉体特性、成形性能及烧结特性,探讨SiC-AlN复相陶瓷的增强增韧机制。结果表明：喷雾造粒后,复合粉体的流动特性显著提高,粒度级配合理;随着压强增加,坯体密度在40～80、80～160和160～220MPa范围内呈现阶梯式增长,160MPa以上成形后素坯均匀致密,无硬球颗粒存在;无压烧结SiC-AlN复相陶瓷具有优越的烧结性能和力学性能,这是由于AlN对SiC晶粒形成生长势垒,并反应生成2H型固溶体,从而细化晶粒,导致裂纹扩展产生了绕道与偏转效应,呈现晶粒撕裂与拨出现象,协同改善了复相陶瓷的强度及断裂韧性。     

SiC晶须含量对ZrC陶瓷性能与组织的影响

以微米ZrC颗粒、SiC晶须为原料(SiC晶须体积含量分别为5%,10%,15%,20%),采用热压烧结工艺制备SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷,研究了SiC晶须含量对ZrC基超高温陶瓷力学性能与组织的影响。结果表明:随着SiC晶须含量的增加,材料的致密度、抗弯强度和断裂韧性逐渐提高;当SiC晶须体积含量为20%时,致密度、抗弯强度和断裂韧性同时达到最大值,分别为99.24%,626.17MPa,5.03MPa·m1/2。SEM表明,试样微观组织均匀,强韧化机制主要是细晶强化和晶须拔出。     

双相多尺度镀镍碳纤维和碳化锆颗粒增强铝基复合材料制备及力学性能研究

采用放电等离子体烧结制备了双相多尺度镀镍碳纤维和碳化锆颗粒增强铝基复合材料(Cf(Ni)-Zr C/2024Al)。为了提高碳纤维和基体的界面结合强度,对碳纤维进行了化学镀镍,研究了烧结工艺对复合材料的密度、显微硬度和拉伸强度的影响。结果表明,在烧结温度为480℃,烧结压力为30 MPa,保温时间为10 min时,可以得到结构致密,性能优异的铝基复合材料。复合材料的密度仅为2.71 g/m~3,显微硬度、拉伸强度和伸长率分别为105.6 HV、330 MPa和10.2%,力学性能均高于2024Al合金。力学性能的提高归因于表面化学镀碳纤维和基体良好的界面结合、ZrC的网状分布结构、以及增强相和基体热膨胀系数不匹配导致的位错增强。     

TiB2含量和烧结温度对B4C/Al2O3基复合陶瓷的影响

利用原位反应热压工艺制备了B4C/Al2O3基复合陶瓷,研究了TiB2含量和烧结温度对B4C/Al2O3基复合陶瓷力学性能和微观结构的影响.结果表明,当TiB2含量低于8.7％时,随原位反应生成的TiB2含量的增加,有效的促进了B4C/Al2O3/TiB2复合陶瓷的烧结,提高相对密度,改善了力学性能.当烧结温度低于1900℃时,其力学性能随烧结温度增加而提高;当超过1900℃时,其力学性能随烧结温度的提高而降低.在1900℃,60 min时,B4C/Al2O3/TiB2复合陶瓷获得最佳综合力学性能,其硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为24.8 GPa、4.82 MPa·m1/2和445.2 MPa.     

有机硅树脂对免烧成碳化硅耐火材料性能的影响

采用不同粒级的碳化硅为原料,以有机硅树脂为结合剂,制备了免烧成碳化硅耐火材料,利用XRD、SEM和电子拉伸机等手段,研究了有机硅树脂含量对在模拟应用环境温度下烧结的碳化硅材料的显微结构、体积密度、抗折强度、抗氧化以及抗侵蚀等性能。结果表明:随着有机硅树脂含量增加,材料的抗折强度、体积密度、抗氧化性能、抗热震性均增加,当有机硅树脂含量为9%(质量分数,下同)时,材料的体积密度可达2.67 g.cm-3、开孔率最小,为15%,抗折强度最大,为26.5 MPa;材料的主要物相为Si C、Si O2和SixOyCz,细小碳化硅均匀分布在大颗粒碳化硅颗粒周围,且结合良好;该材料在冰晶石熔液中具有优秀的抗侵蚀性能。     

纳米SiC颗粒增强反应烧结碳化硼复合材料的研究

采用真空熔渗法,通过对B4C-C素坯于1550 ℃渗Si,得到了较致密的反应结合碳化硼陶瓷复合材料。通过生成SiC纳米颗粒对材料进行强化,并探讨了纳米SiC颗粒对材料组织与性能的影响及其强韧化机理。实验表明,材料包括B4C、Si、SiC和B12(C,Si,B)3四相。结果表明,选取酚醛树脂作为外加碳源,可在材料中成功引入细小的SiC纳米颗粒,使复合材料的抗折强度、断裂韧性和维氏硬度较以炭黑为外加碳源的材料,分别增加了35 %、36 %和15 %,分别高达442 MPa、4.9 MPa?m1/2和23 GPa。     

纳米SiC颗粒增强反应结合碳化硼陶瓷复合材料的研究

采用真空熔渗法,通过对B_4C-C素坯于1550℃渗Si,得到了较致密的反应结合碳化硼陶瓷复合材料。通过生成Si C纳米颗粒对材料进行强化,并探讨了纳米Si C颗粒对材料组织与性能的影响及其强韧化机理。实验表明,材料包括B_4C、Si、Si C和B_(12)(C,Si,B)_3四相。结果表明,选取酚醛树脂作为外加碳源,可在材料中成功引入细小的Si C纳米颗粒,使复合材料的抗折强度、断裂韧性和维氏硬度较以炭黑为外加碳源的材料,分别增加了35%、36%和15%,分别高达442 MPa、4.9 MPa·m~(1/2)和23 GPa。     

金刚石/碳化硅复合材料的近净成形研究

采用金刚石/碳/硅预制坯成形以及真空气相反应渗硅工艺实现了金刚石/碳化硅复合材料的近净成形制备。对复合材料的显微结构以及性能进行了研究,讨论了反应渗透过程中复合材料体积变化的影响因素及影响机理。结果表明:采用真空气相反应渗硅工艺制备的金刚石/碳化硅复合材料主要由金刚石,碳化硅以及少量残留硅组成,复合材料内部各相分布均匀,致密度达到99%以上,抗弯曲强度达到260MPa。由于硅碳原位反应生成碳化硅是一个体积膨胀过程,预制坯体在渗透过程中呈现5%～20%的体积膨胀。原料配方中金刚石含量越高,硅碳比越低,预制坯体开孔率越高,渗透过程中复合材料的体积膨胀率越低。为了避免样品变形,实现金刚石/碳化硅复合材料近净成形的最佳硅碳比为1:1。     

纳米反应体系对自蔓延复合钢管表面陶瓷层性能的影响

为提高输送管道的力学性能及其陶瓷层致密度,针对纳米反应体系,采用离心自蔓延高温合成法制备出陶瓷内衬复合钢管.在纳米SiO2质量分数为6％,Ni质量分数为1％的条件下,研究了不同质量分数的纳米ZrO2添加剂,对复合管力学性能及陶瓷层致密度的影响.结果表明:加入9.5％ZrO2的复合管的压渍强度达到409 MPa,比未添加...     

Cf/SiC制动材料弯曲性能的研究

以短碳纤维为增强体,以树脂为粘结剂,运用模压成型-无压烧结法制备Cf/SiC陶瓷制动材料.研究了烧结助剂含量、烧结温度、碳纤维长度和碳纤维体积分数对该复合材料弯曲强度性能的影响.结果表明:随着烧结助剂含量的增加,Cf/SiC制动材料的密度先增加后减小,抗弯强度也先增加后减小;随着烧结温度的增加,Cf/SiC制动材料的弯曲强度先增大后减小;随着碳纤维长度的增加,材料的弯曲强度先增大后减小,当碳纤维含量分别为5％、10％、15％时,该复合材料的弯曲强度先增大后减小.