低维纳米相增强碳化硅陶瓷复合材料的制备及力学性能研究

论文摘要

碳化硅(SiC)陶瓷作为一种极为重要的先进陶瓷,具有低密度(3.21g/cm~3)、高硬度、高强度、高导热性、低热膨胀系数、化学惰性、高抗氧化性和耐磨性等系列优点,已成为目前应用在航空航天等领域最为重要的一种高温结构陶瓷材料。然而与其他陶瓷材料一样,碳化硅陶瓷最大的缺点是其内在的脆性,这使得它在结构部件中的使用受到极大的限制,在SiC陶瓷基体中引入第二相增强材料是一种改善其力学性能的常见方法,因此选择合适的增强相是提高碳化硅陶瓷力学性能的关键。低维纳米材料是指除三维体材料以外的二维,一维及零维材料,其中碳纳米管(CNTs)、石墨烯纳米片(GNSs)、碳化硅纳米线(SiCNWs)等低维纳米材料具有高强度,高模量等极佳的力学性能,是改善陶瓷脆性的理想增强相。本论文分别选择碳纳米管,石墨烯纳米片和碳化硅纳米线作为增强相,添加到SiC陶瓷基质中,制备SiC陶瓷基复合材料,重点研究了碳化硅陶瓷基复合材料的制备工艺、微观结构和力学性能。研究结果表明,通过添加碳纳米管,石墨烯纳米片和碳化硅纳米线等低维纳米相,可以显著提高SiC陶瓷的力学性能,为提升SiC陶瓷的可靠性探索了一种可行途径。本文主要研究内容如下:(1)为了解决CNTs团聚问题,提高其在SiC陶瓷基体内的分散程度以及CNTs和SiC的复合效果,首先将CNTs进行混酸处理,获得了易均匀分散的CNTs,同时利用硅烷偶联剂对SiC粉体进行改性,然后采用异相沉积法制得CNTs/SiC复合陶瓷粉体,最后利用SPS烧结技术制备得到致密的CNTs/SiC陶瓷复合材料。研究发现,CNTs的加入会显著提升CNTs/SiC复合陶瓷的力学性能,当CNTs含量在3wt.%时,其MSP强度相较于SiC基体提升了42%,在用6wt.%的CNTs增强的复合材料中,断裂韧性显示出31%的增加。(2)首先通过微波加热膨胀石墨并结合超声机械剥离,制备了高质量的石墨烯纳米片,然后利用湿法球磨的方法制备GNSs/SiC复合陶瓷粉体,最后采用SPS烧结工艺烧结得到致密的GNSs/SiC陶瓷复合材料。研究结果表明,球磨时间和GNSs含量对复合陶瓷性能有重要影响,适当延长球磨时间有助于GNSs在SiC基体中的分散,合适的GNSs含量可以显著提高SiC陶瓷的强度。最后研究确定,当球磨时间为12h,GNSs含量为4wt.%时,复合陶瓷的MSP强度提升最大,相对于SiC基体提升了15%。(3)在利用湿法球磨的方法制备SiCNWs/SiC复合陶瓷粉体的基础上,采用SPS烧结工艺制备了致密的SiCNWs/SiC陶瓷复合材料。研究发现,SiCNWs的加入会使复合陶瓷的力学性能(强度和硬度)显著上升。当SiCNWs的复合量为5wt.%时,相对于SiC基体,其MSP强度提升了77%,硬度提升了41%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 碳化硅陶瓷
•     1.2.1 碳化硅陶瓷结构
•     1.2.2 碳化硅陶瓷的烧结制备
•     1.2.3 碳化硅陶瓷的性能及应用
•   1.3 碳化硅陶瓷复合材料
•     1.3.1 碳化硅陶瓷复合材料强韧化研究进展
•     1.3.2 碳化硅陶瓷复合材料的强韧化机理
•     1.3.3 碳化硅陶瓷复合材料的性能及应用
•   1.4 低维纳米增强材料
•     1.4.1 碳纳米管
•     1.4.2 石墨烯
•     1.4.3 碳化硅纳米线
•   1.5 论文的研究内容及意义
• 第二章 实验原料设备及其测试表征方法
•   2.1 实验主要试剂原料
•   2.2 实验主要仪器设备
•   2.3 材料的表征
•     2.3.1 场发射扫描电子显微镜（FESEM）
•     2.3.2 透射电镜（TEM）
•     2.3.3 X射线衍射（XRD）
•     2.3.4 拉曼光谱（Raman）
•   2.4 材料的性能测试
•     2.4.1 密度及相对密度
•     2.4.2 MSP强度
•     2.4.3 维氏硬度
•     2.4.4 断裂韧性
• 第三章 CNTs/SiC陶瓷复合材料的制备及力学性能研究
•   3.1 引言
•   3.2 CNTs/SiC陶瓷复合材料的制备
•     3.2.1 CNTs的酸处理
•     3.2.2 SiC粉体的表面改性
•     3.2.3 CNTs/SiC陶瓷复合材料粉体的制备
•     3.2.4 CNTs/SiC陶瓷复合材料块体的制备
•   3.3 CNTs/SiC陶瓷复合材料的力学性能测试
•   3.4 结果与讨论
•     3.4.1 混酸处理过后的CNTs的分析
•     3.4.2 改性SiC粉体的分析
•     3.4.3 CNTs/SiC复合粉体的微观结构分析
•     3.4.4 CNTs/SiC陶瓷复合材料的微观结构与性能分析
•   3.5 本章小结
• 第四章 GNSs/SiC陶瓷复合材料的制备与力学性能研究
•   4.1 引言
•   4.2 GNSs/SiC陶瓷复合材料的制备
•     4.2.1 石墨烯纳米片的制备
•     4.2.2 GNSs/SiC陶瓷复合材料粉体的制备
•     4.2.3 GNSs/SiC陶瓷复合材料块体的制备
•   4.3 GNSs/SiC陶瓷复合材料的力学性能测试
•   4.4 结果与讨论
•     4.4.1 石墨烯纳米片的分析
•     4.4.2 GNSs/SiC陶瓷复合材料的微观结构与性能分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 SiCNWs/SiC陶瓷复合材料的制备与力学性能研究
•   5.1 引言
•   5.2 SiCNWs/SiC陶瓷复合材料的制备
•     5.2.1 SiCNWs/SiC陶瓷复合材料粉体的制备
•     5.2.2 SiCNWs/SiC陶瓷复合材料的制备
•   5.3 SiCNWs/SiC陶瓷复合材料的力学性能测试
•   5.4 结果与讨论
•     5.4.1 SiCNWs/SiC陶瓷复合材料的XRD与相对密度分析
•     5.4.2 SiCNWs/SiC陶瓷复合材料的力学性能分析
•     5.4.3 SiCNWs/SiC陶瓷复合材料的微观结构和强韧机理
•   5.5 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘瑞从

导师: 王连军,蓝振华

关键词: 碳化硅陶瓷复合材料,碳纳米管,石墨烯纳米片,碳化硅纳米线,力学性能

来源: 东华大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 无机化工,材料科学

单位: 东华大学

分类号: TB332;TQ174.758.12

总页数: 79

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