新型成型工艺结合PIP工艺制备SiC陶瓷

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SiC陶瓷及SiCf/SiC复合材料具有高熔点、抗氧化、抗烧蚀、低密度、耐腐蚀、高强度等优异性能,在航空领域和核领域应用前景广泛。SiC陶瓷的常规烧结工艺,温度较高,同时需要添加烧结助剂,温度过高,可能影响材料的工艺性能,烧结助剂影响材料的力学性能。PIP工艺制备SiC陶瓷基体具有不添加烧结助剂和烧结温度低的优势,在国内外广泛研究。但传统的PIP工艺制备SiC陶瓷时一般用模压成型,制备大型异形件困难;同时,PIP工艺所制备的SiC陶瓷基体的一些基础物性(包括成分、弯曲强度、压缩强度、弯曲模量、泊松比等)数据仍不完善,模拟计算不够准确。本文拟开展PIP制备SiC陶瓷基体的改性工艺研究,探索蛋白质凝胶注模成型+PIP工艺和冷冻干燥成型+PIP工艺制备SiC陶瓷,测定并分析了PIP产物结构、组成及SiC的含量,系统研究了组成和工艺对所制备的基体弯曲强度、压缩强度、致密度、热导率等性能的影响,并测定了模量和泊松比,为SiCf/SiC复合材料研究提供参考。测试并分析了PIP产物成分及SiC含量。研究发现:PIP产物中有少量β-SiC微晶,大量无定形SiC,游离C以及Si-C-O相,先驱体PCS裂解产物中Si元素含量为65.98wt%、O元素含量为1.56wt%、C元素含量为32.46wt%,SiC含量为92.84wt%;而先驱体LPVCS裂解产物中Si元素含量为52.17wt%、O元素含量为9.48wt%、C元素含量为38.35wt%,SiC含量为76.28wt%。以SiC粉和PCS为原料,采用蛋白质凝胶注模成型,然后烧结,制备SiC泡沫陶瓷,随后以LPVCS为先驱体,在1100℃、N2保护下进行PIP工艺。研究了PCS加入量、蛋白质加入量、固相含量等对所制备的SiC陶瓷结构及性能的影响。结果表明:PIP工艺能有效提升SiC泡沫陶瓷的致密度和性能,随着PCS加入量增加,密度增大,开孔率和孔径减小,弯曲强度、压缩强度和热导率都先增大后减小。随着蛋白质加入量增加,密度先增大后减小,开孔率先减小后增大,弯曲强度、弯曲模量和压缩强度都先增大后减小,弯曲强度、弯曲模量、压缩强度三者的最大值分别为99.9MPa、28.36GPa、426.97MPa;热导率增加,热导率最大值为4.83W·m-1·K-1。随着固相含量增加,密度、弯曲强度、压缩强度、热导率都增加,开孔率则降低。以SiC粉和PCS为原料,采用冷冻干燥成型,然后烧结,制备SiC泡沫陶瓷,随后以PCS溶液为先驱体,在1100℃、N2保护下进行PIP工艺。研究了PCS加入量和固相含量对所制备的SiC陶瓷结构及性能的影响。研究发现:随着PCS加入量的增加,密度减小、开孔率增大,弯曲强度和压缩强度都增加,而热导率减小;随着固相含量的增大,密度增大、开孔率减小,弯曲强度、压缩强度和热导率都增加。
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