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新型亚稳SiBCN系陶瓷及其复合材料研究取得突破
发布人:王亚明  发布时间:2016-02-01   浏览次数:124


亚稳SiBCN系非晶及纳米晶复相陶瓷密度低,微观组织结构独特,高温性能优异,在高温结构和航空航天防热领域具有重要应用前景。以德国科学家等为代表的研究人员采用有机先驱体裂解法在合成亚稳SiBCN纤维方面取得突破,但该法不仅仅原料难于获得、价格昂贵、安全性差,且在制备致密SiBCN系块体陶瓷等方面受限,严重制约了该材料相关基础数据的获得、相关机理的研究及其在工程领域中的应用。

在国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金面上项目等的资助下,贾德昌教授、杨治华副研究员领导的研究小组在亚稳SiBCN系陶瓷及其复合材料的制备、微观组织结构特征及演变规律、晶化机理、力学与热物理性能、抗热震性、耐烧蚀性能、高温抗氧化性与机理及其在高温防热领域的应用方面展开了系统研究,取得了一系列创新成果。

在国际上率先开辟了以无机粉代替有机前驱体原料,通过机械化学合成及后续压力烧结的固相法制备亚稳SiBCN系陶瓷的新途径,开辟了机械化学制备亚稳SiBCN系材料的研究领域,发明了耐高温SiBCN系非晶/纳米块体陶瓷及其复合材料,并研制了满足型号要求的航天高温防热部件。

系统研究了球磨方式、原料种类、元素配比、烧结工艺等对SiBCN系粉末和陶瓷的组织与性能的影响规律,阐明了该系陶瓷粉末和陶瓷块体的高温抗氧化机理。

SiBCN系非晶粉体进行热压或者放电等离子烧结成功制备了致密的SiBCN系非晶/纳米晶复相块体陶瓷。其微观组织结构特征与采用有机法制备该材料的结构特征非常相似,SiC与湍层的BN(C)相形成独特的胶囊结构,赋予材料优异的热稳定性、抗热震性、耐烧蚀性能、抗氧化性、低硬度和良好的加工性能;初步证明了以无机粉体为原料的热机械化学法同以有机先驱体为原料的软化学法具有殊途同归的效果。阐明了亚稳SiBCN系陶瓷在压力烧结过程中微观组织结构的演变行为及机制;研究报道了该系块体陶瓷力学、热物理、热震、烧蚀等性能特性数据,填补了相关数据的国际空白。


1 机械合金化SiBCN粉体及热压烧结SiBCN块体陶瓷的组织结构

采用高能球磨或普通球磨方式引入元素或第二相颗粒(包括AlZrHfAlNZrB2MZSgraphene)SiBCN基体中,能对SiBCN系陶瓷能起到有效的调控作用,改善力学与耐高温性能,阐明了第二相颗粒对SiBCN系陶瓷微观组织结构、力学、热物理性能以及耐高温性能的影响规律及机制。


                  表1 无机法制备的SiBCN系陶瓷及复合材料的密度及力学性能

材料

密度

(g•cm-3)

抗弯强度(MPa)

弹性模量

(GPa)

断裂韧性

(MPa·m1/2)

维氏硬度

(GPa)

断裂方式

SiBCN//40*1,2

---

312.8±5.2

136.3±17.8

3.31±0.02

4.17±0.50

脆断

SiBCN

2.52

331.0±40.5

139.4±16.0

2.81±0.89

5.65±0.39

脆断

SiBCN-Al//50/Ar

2.77

421.9±27.3

174.1±10.2

3.40±0.15

12.74±0.32

脆断

SiBCN-Al//50/N2

2.90

526.8±10.4

222.1±27.7

5.25±0.20

11.63±0.49

脆断

SiBCN-Zr

4.11

400.0

251.6

3.16

9.57

脆断

SiBCN-ZrO2

2.83

575.4±73.7

159.2±21.7

3.67±0.01

6.66±0.68

脆断

SiBCN-AlN

2.74

415.7±147.3

148.4±8.3

4.08±1.18

6.38±1.24

脆断

SiBCN-MZS

2.78

394.2±41.7

152.9

5.86±0.06

8.30±0.60

脆断

SiBCN-graphene*3

2.44

135.28±8.26

150.05±2.85

5.40±0.63

2.41±0.13

脆断

SiBCN-Csf//2000/60

2.18

70.5±2.6

41.6±11.3

2.37±0.05

2.96

伪塑性

SiBCN-Csf-ZrO2//60

2.39

112.4±12.1

111.1±23.3

2.94±0.25

---

伪塑性

SiBCN-SiCsf//60

2.57

284.3±17.9

183.5±11.1

2.78±0.14

---

脆断

SiBCN-SiCsf/BN//60

2.67

193.4±4.2

154.1±25.4

3.92±0.45

---

脆断

*1) SiBCN//40:制备工艺参数为1900 °C/40 MPa/N2;无特殊注明者,制备工艺参数均为1900 °C/80 MPa/N22) 1100 °C1400 °C条件下SiBCN//40陶瓷的抗弯强度分别为287.2±15.5 MPa225.3±15.1 MPa

3) 制备工艺参数为SPS/1800 °C/40 MPa/N2

                            表2 无机法制备的SiBCN系陶瓷及复合材料的热物理学性能

材料

温度范围

(°C)

热扩散系数

(mm2/s)

比热容

(J/(g·K))

热导率

(W/(m·K))

(平均)热膨胀系数

(×10-6/K)

2Si-B-3C-N//S/HP/1900/40*1

25~1400

4.4~4.6

3Si-B-4C-N//D/SPS/1800/40*2

25~1400

16.7   (25)

~1.05   (1200)

~54.0   (25)

4.0

2Si-B-3C-N//D/SPS/1800/40

25~1400

12.7   (25)

~0.75   (25)

~25.0   (25)

3.8

1200

4.0

~1.33

~15.0

~4.2   (1200)

Si-B-2C-N//D/SPS/1800/40

25~1400

11.5   (25)

~1.45   (1200)

~21.0   (25)

3.6

2Si-B-3C-N//1900/80

200~1400

~5.0   (25)

~1.33   (1200)

~9.4   (25)

~4.8

200~1200

7.3~8.4

2Si-B-3C-N-0.6Al//1900/50/N2

200~1000

2.4~5.0

1000~1300

5.1

2Si-B-3C-N-0.2Al//1900/50/N2

200~1000

2.7~4.5

1000~1300

4.6

2Si-B-3C-N-0.6AlN//1900/50/N2

200~1000

2.8~4.8

1000~1300

4.9

SiBCN-Csf//1800/60

25~1200

~1.6

SiBCN-SiCsf//1800/60

25~1200

~48

~1.05

~105.0

~4.3

SiC

25~1000

~48

~1.05

~105.0

4.5~5.1

*1) S/HP/1900/40:一步法/热压烧结法/1900 °C/烧结压力40 MPa/保温30 min/1 bar N2

2) D/SPS/1800/40:两步法/放电等离子烧结法/1800 °C/烧结压力40 MPa/保温3 min/1 bar N2

凡制备工艺及参数没有注明者均为一步法/热压烧结法/1900 °C/ 80 MPa/保温30 min/1 bar N2

系统研究了短碳纤维、碳化硅纤维增韧SiBCN系陶瓷基复合材料的力学性能及耐高温性能,阐明了该复合材料的抗热震和烧蚀机理。

在国际上率先采用低温高压烧结技术制备出高致密完全非晶的SiBCN系块体陶瓷,其硬度约29 GPa,与纯SiC的硬度相当,模量290 GPa。阐明了高压作用下非晶陶瓷的析晶机制以及微观组织结构演变与性能之间的关系。发现低温高压烧结的非晶SiBCN块体陶瓷在1600˚C以上具有比SiCSi3N4更优异的抗氧化性能。


2 高压低温烧结SiBCN非晶块体陶瓷

采用该系材料研制出数种航天防热关键部件,成功通过地面台架试验考核,显示了其在航天防热与高温结构领域的良好应用效果,现在正开展系列化拓展应用攻关。图3为某新型卫星姿控发动机燃烧室试验前后形貌。


3 地面台架模拟实验考核前后的某型卫星姿控发动机燃烧室样件数码照片:

(a)(b)实验前; (c)实验解剖后

关研究成果已申报国家发明专利9(已授权6)Journal of the American Ceramic SocietyJournal of the European Ceramic SocietyCeramics InternationalCorrosion ScienceJournal of Materials ScienceMaterials Science and Engineering AJournal of Non-Crystalline SolidsRSC Advances等期刊上发表论文30余篇,并受邀在期刊Journal of Advanced Ceramics和《科学通报》等上发表综述文章多篇。此外,还受邀先后在国际陶瓷联盟(International Ceramic Congress-ICC)大会、高温陶瓷基复合材料国际会议(High Temperature Ceramic Matrix Composites International Conference -HTCMC)、环太平洋陶瓷与玻璃技术国际会议(Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology-PRM)国际和国内会议上做特邀报告16次,其中包括3次大会报告。相关成果获黑龙江省技术发明一等奖1项。


联系人:贾德昌dcjia@hit.edu.cn; 杨治华 zhyang@hit.edu.cn