先驱体转化Si-C-O一维材料和Si-Ti-B-C二维材料的高温环境性能研究

摘要

碳化硅(SiC)材料具有良好化学稳定性、机械性能以及优异的耐高温性能，是应用于高温、腐蚀性等恶劣环境的首选材料。鉴于SiC低维材料在高温领域的广阔应用前景，本文以两种典型先驱体转化法制备高温结构功能材料——SiC一维(Hi-Nicalon纤维)及二维材料(Si-Ti-B-C薄膜)为研究对象，对其高温环境性能进行研究。
　　 本文研究了高温空气和航空发动机模拟环境(PH2O∶O2∶Ar=14∶8∶78 kPa)对Hi-Nicalon纤维的力学性能与微结构的影响，揭示了动力学因素影响下纤维拉伸强度及微结构的演变。其次，探索了Si-Ti-B-C薄膜的最佳制备工艺，并对其高温惰性环境中的结构性能演变进行研究。主要研究内容与结果如下：
　　 1、将Hi-Nicalon单丝纤维在1200℃空气及航空发动机模拟环境下进行了1-100h退火处理，并对退火后的纤维进行了室温残余拉伸强度测试和微结构表征。结果表明：随着退火时间延长，水氧气氛中退火处理的纤维室温残余拉伸强度平缓下降。相同退火时间，水氧环境下退火的纤维比空气中具有较高的强度保持率。退火处理前后的Hi-Nicalon纤维均为典型的非晶脆性断裂模式，退火1-5h水氧环境退火的纤维断裂主要由内部缺陷引起，而空气中多位于纤维表面。随退火时间增加，两者由芯部/表面氧化层界面裂纹导致断裂的比例逐渐增大。纤维芯部与氧化层的热失配显著导致的界面结合力逐步下降及氧化层厚度增大导致的纤维有效承载截面减小，是纤维拉伸强度下降的重要影响因素。
　　 2、用物理共混的方法将氮化钛(TiN)、硼(B)纳米粉引入原料PCS中，经探索改进薄膜的掺杂、氧化交联及预烧工艺，制得了性能优良的Si-Ti-B-C自由薄膜。对薄膜进行了惰性气氛下1500℃、1600℃、1700℃保温1h的高温退火处理实验。结果表明随着退火温度升高，薄膜硬度平缓下降，在1700℃上保温1h仍具有较高的硬度。相较而言，1600℃退火处理1h的Si-C-O薄膜已发生严重粉化。由于Si-Ti-B-C薄膜具有较低的氧含量，并且异质元素的引入有效地抑制晶粒的长大，因此薄膜具有较优的耐高温性能，通过刻蚀、聚合物粘结等微加工后可应用于超高温（尤其是1500℃以上）的微机电系统(MEMS)器件中。