低维材料增韧碳化硅陶瓷的制备和性能研究

　　航空航天、新能源等科技领域的迅猛发展,使得对应用于极端条件下(高温或酸碱腐蚀)的结构材料的需求日益增强。碳化硅(SiC)因具有高硬度、耐磨损、耐高温、低密度等优异的物理力学性能,成为一种理想的结构材料,被广泛应用于航空航天、国防军工等领域。然而,SiC的室温抗弯强度和断裂韧性差,这极大地限制了其在各领域的发展和应用。为了提高SiC陶瓷的断裂韧性,常引入第二相粒子,主要包括颗粒、晶须或纤维增韧等。本文采用复合增韧的方法,选用二维材料(GNPs、Ti_3C_2)和碳纳米管(CNTs)为原料,以硅烷偶联剂KH560和聚多巴胺(PDA)为改性剂,分别制备PDA-CNTs@f-Ti_3C_2和PDA-CNTs@f-GNPs,并以其为强韧化填料制备SiC基复合材料,改善SiC的抗弯强度和断裂韧性,研究结果如下:(1)PDA-CNTs@f-Ti_3C_2的制备与表征。分别采用聚多巴胺(PDA)和硅烷偶联剂KH560对CNTs、Ti_3C_2进行化学改性,然后将处理过的CNTs与Ti_3C_2键和得到PDA-CNTs@f-Ti_3C_2复合材料。结果表明,PDA成功地对CNTs进行包覆改性,并与修饰后的Ti_3C_2颗粒结合。通过沉降实验,发现该复合材料在水溶剂中具有更好的分散稳定性。(2)以PDA-CNTs@f-Ti_3C_2为强韧化填料,制备SiC基复合材料,并采用扫描电镜、EDS、万能试验机等手段对其形貌结构、元素组成和力学性能等进行分析。结果表明,与纯SiC基体相比,添加3 wt.%强韧化填料的SiC基复合材料的硬度提高了6.8%。此外,通过三点弯曲强度和单边切口梁实验可知,当强韧化填料的含量为3 wt.%时,SiC基复合材料的抗弯强度提高了89%(从228.99 MPa到433.55 MPa);断裂韧性提高了62%(从3.97 MPa·m~(1/2)到6.44 MPa·m~(1/2))。(3)将PDA改性的CNTs与硅烷偶联剂KH560修饰的GNPs结合在一起,形成一种新型PDA-CNTs@f-GNPs强韧化填料,将其加入纯SiC粉中制备复合材料。结果表明,当强韧化填料的含量从0 wt.%增加到5 wt.%时,复合材料的密度、硬度逐渐降低,其中硬度降低了8.5 wt.%。此外,通过三点抗弯强度和单边切口梁实验可知,随着强韧化填料含量的增加,SiC基复合材料的抗弯强度和断裂韧性均先增加后降低。当强韧化填料的含量为3 wt.%时,SiC基复合材料的抗弯强度和断裂韧性最大,分别为370 Mpa和5.78 MPa·m~(1/2)。

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