(Cf-SiCf)/SiBCN复合材料的力学与抗热震耐烧蚀性能

摘要

本文通过机械合金化法制备SiBCN粉体，采用热压烧结工艺制备了(Cf-SiCf)/SiBCN复合材料，对其物相和微观组织进行表征，同时研究了纤维表面涂层及添加剂(ZrSiO4)的引入对复合材料力学、抗热震及耐烧蚀性能的影响。
　　实验结果表明：采用机械合金化法可以制备得到非晶态的SiBCN粉体材料，材料由纳米颗粒团聚形成的硬团聚体构成。采用浸渍裂解法可以在Cf和SiCf表面制备C涂层及BN涂层等弱界面层，C涂层厚度不均匀，且纤维之间搭接现象较严重；BN涂层厚度较薄，纤维整体分散性较好。
　　通过热压烧结工艺制备的(Cf-SiCf)/SiBCN复合材料主要由β-S iC、α-SiC以及BCN相组成，BCN相具有非晶的湍层状结构；未引入涂层的复合材料内部纤维定向排布，材料具有脆性断裂的特征，引入弱界面层后纤维排布失去了择优取向，断裂形式为伪塑性断裂，但材料的密度及力学性能均有所降低；而添加剂的引入可以显著提高材料的性能，其密度、抗弯强度、弹性模量及断裂韧性分别为2.58g/cm3、235.3±18.4MPa、127.4±1.7GPa和5.33±0.25MPa.m1/2。纤维的脱粘和拔出是碳纤维的主要增韧机制，而碳化硅纤维主要依靠裂纹偏转、延长裂纹扩展路径的方式起到韧化效果。
　　复合材料热震后抗弯强度随热震温差的增加而急剧下降，引入添加剂的组分下降速度较快，引入弱界面层后材料的残余抗弯强度下降幅度不是很大，其中BN涂层对于材料抗热震性能的改善效果相对更明显，热震后材料的抗弯强度分别为原始强度的71.4％、71.4%和61.8%。在800℃热震温差下纤维发生了轻微的剥蚀及断裂，且基体中有少量微裂纹的存在，1000℃及1200℃热震时材料表面出现了氧化现象。复合材料内部纤维损伤较轻，可观察到纤维拔出的现象。
　　弱界面层的引入使得复合材料的质量烧蚀率略有增加，线烧蚀率变化不明显，添加剂对复合材料的烧蚀性能有明显的改善作用，其质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.00136g/s和0.0273mm/s。复合材料烧蚀后表面出现了不同程度的烧蚀坑，烧蚀表面分为烧蚀区、过渡区及边缘区三个不同区域，烧蚀区表面发生了纤维剥蚀现象，过渡区覆盖了一层非晶态SiO2，边缘区出现了起泡现象，复合材料的烧蚀机理为机械剥蚀、高温气流冲刷及热氧化烧蚀。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 SiBCN陶瓷材料的组织结构

1.3 SiBCN陶瓷材料的制备方法

1.4 纤维增强SiBCN陶瓷材料

1.5 本文的主要研究内容

第2章 实验原料与试验方法

2.1 实验用原材料

2.2 SiBCN粉体材料的机械合金化法合成

2.3 纤维表面涂层的设计及制备

2.4 (Cf-SiCf)/SiBCN复合材料的烧结工艺设计

2.5 (Cf-SiCf)/SiBCN复合材料的组织结构表征

2.6 (Cf-SiCf)/SiBCN复合材料的性能测试

第3章 (Cf-SiCf )/SiBC N复合材料的组织与力学性能

3.1 非晶态SiBCN粉体材料的表征

3.2 纤维表面弱界面层的引入及其涂覆效果

3.3 (Cf-SiCf)/SiBCN复合材料组织结构及力学性能

3.4弱界面层对(Cf-SiCf)/SiBCN复合材料结构及力学性能的影响

3.5 添加剂对(Cf-SiCf)/Si BCN复合材料结构及力学性能的影响

3.6 本章小结

第4章 (Cf-SiCf )/SiBC N复合材料的抗热震性能

4.1 (Cf-SiCf)/SiBCN复合材料的热膨胀行为

4.2 (Cf-SiCf)/SiBCN复合材料的抗热震损伤参数及残余抗弯强度

4.3 (Cf-SiCf)/SiBCN复合材料热震后的物相分析

4.4 (Cf-SiCf)/SiBCN复合材料热震后的微观形貌

4.5 本章小结

第5章 (Cf-SiCf)/SiBCN复合材料的耐烧蚀性能

5.1 (Cf-Si Cf)/Si B CN复合材料的烧蚀率

5.2 (Cf-Si Cf)/Si B CN复合材料烧蚀后的宏观形貌

5.3 (Cf-Si Cf)/Si B CN复合材料烧蚀后的物相分析

5.4 (Cf-Si Cf)/Si B CN复合材料烧蚀后过程中的热力学分析

5.5 (Cf-Si Cf)/Si B CN复合材料烧蚀后的微观形貌

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢