基于石墨烯-碳化硅纳米线协同增韧的高硬度高韧性超细WC陶瓷

石墨烯已被广泛应用于陶瓷材料的增韧,如何实现其在陶瓷材料基体的良好分散性是提高其增韧效率的瓶颈问题。本研究通过放电等离子烧结,制备了二维石墨烯(G)和一维碳化硅纳米线(SiC_(nw))协同增韧WC陶瓷材料;优化了烧结温度、保温时间及施加压力;重点研究了石墨烯和碳化硅纳米线在促进陶瓷材料致密化、微观结构演变及性能提升方面的协同作用。结果表明:采用60 MPa压强,在1900℃保温15 min,WC-0.15wt.%G-0.45wt.%SiC_(nw)可获得最优力学性能,硬度、抗弯强度和韧性分别为25.6 GPa、1499 MPa和11.6 MPa·m^(1/2)。主要增韧机理为:G/SiC_(nw)裂纹偏转、桥联和拔出。本研究有助于高强韧陶瓷基复合材料的发展。

碳化硅纳米线的制备与应用研究综述

碳化硅纳米线是具有广阔应用前景的半导体材料和结构增强材料,在极端条件下的电子器件应用中具有非常大的潜力。本文介绍了碳化硅纳米线的多种制备方法,并对碳化硅纳米线的应用研究做了综述。

碳热还原制备不同形貌的碳化硅纳米线

以酚醛树脂为碳源,正硅酸乙酯为硅源,硝酸镧和表面活性剂为调控剂,通过溶胶-凝胶和碳热还原反应制备了不同形貌的碳化硅纳米线。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线散射能谱对所制备的碳化硅纳米线进行表征。结果表明,通过此方法所制备的碳化硅纳米线均为立方结构的β-SiC,分别具有直线状、竹节状和链珠状、分枝状等不同形貌。金属催化剂和表面活性剂对碳化硅纳米线的结构和形貌变化有重要影响。

碳化硅纳米线的制备及表征

以化学气相沉积法制备的纳米碳管粗产物和各向同性煤沥青为原料,采用热压成型工艺制备了纳米碳管/沥青复合材料,复合材料经1600℃高温热处理产物中生成了纤维状碳化硅（SiC）纳米线。扫描和透射电子显微分析表明所制备的SiC纳米线表面较为光洁,长度约为几个微米,直径约为30~80nm。二次电子像及其能谱分析表明原料中的金属镍颗粒和纳米碳管对SiC纳米线的生长具有重要作用。

碳化硅纳米线的湿腐蚀研究

使用湿腐蚀法即氢氟酸和硝酸的混合酸(体积比为3:1),于100℃对所制备的具有周期性孪晶结构的碳化硅纳米线进行腐蚀,采用SEM、HRTEM、FTIR、PL对所得的样品进行表征,并讨论了纳米线腐蚀的反应机理。结果表明,混合酸对具有周期性孪晶结构纳米线的腐蚀具有选择性,形成了不同于原材料的特殊形貌。同时,腐蚀改变了纳米线的光致发光性能。

化学气相反应制备碳化硅纳米线

用硅粉、二氧化硅和石墨粉作原料，在无催化剂的条件下，在1400℃下用高温化学气相反应法制备了碳化硅纳米线，并用高分辨扫描电镜观察了所得碳化硅纳米线的形貌。所得碳化硅纳米线直径为100-500nm，长度可达几百微米。还提出了描述碳化硅纳米线的生长机理。

碳化硅纳米线增韧碳化硅纤维/碳化硅基体损伤行为研究

通过在碳化硅纤维表面原位生长纳米线得到具有多级增强结构的碳化硅复合材料,对复合材料引入纳米线后的微观结构、弯曲强度以及损伤的变化过程进行了研究。研究结果表明,相较于原始的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料,碳化硅纳米线可以明显提高基体沉积效率并改善材料的弯曲力学性能。从声发射技术和维氏硬度压痕测试结果可以看出,纳米线通过抑制微裂纹的产生和在微裂纹之间发生桥联来抑制早期损伤的发展。此外,在纳米线表面沉积一层氮化硼界面相,纳米线与基体之间的结合力变弱,复合材料对微裂纹的抑制和偏转得到进一步增强,弯曲性能大幅提升。

三维碳化硅纳米线增强碳化硅陶瓷基复合材料的电磁屏蔽性能

碳化硅纳米线具有优异的电磁吸收性能,三维网络结构可以更好地使电磁波在空间内被多次反射和吸收。通过抽滤的方法制备得到体积分数20%交错排列的碳化硅纳米线网络预制体。然后采用化学气相渗透工艺制备热解炭界面和碳化硅基体,并通过化学气相渗透和前驱体浸渍热解工艺得到致密的SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料。甲烷和三氯甲基硅烷分别是热解炭和碳化硅的前驱体,随着热解碳质量分数从21.3%增加到29.5%,多孔SiCNWs预制体电磁屏蔽效率均值在8~12GHz(X)波段从9.2d B增加到64.1d B。质量增重13%的热解碳界面修饰的SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料在X波段平均电磁屏蔽效率达到37.8 d B电磁屏蔽性能。结果显示,SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料在新一代军事电磁屏蔽材料中具有潜在应用前景。

以碳化细菌纤维素为模板制备碳化硅纳米线

以碳化细菌纤维素为模板和碳源,通过气相渗硅法制备碳化硅纳米线。X射线衍射和扫描电镜(SEM)研究了碳化硅样品的结构与形貌,结果表明所得碳化硅都是纯立方相结构,并且粒度随温度的升高而增大。碳化硅纳米线表面光滑,长度达到微米级。

碳化硅纳米线增强钛基复合材料的制备与性能研究

采用球磨法将Ti60合金粉末与碳化硅纳米线(SiCnw)混合,通过放电等离子活化烧结工艺制备SiCnw/Ti60复合材料。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和万能力学试验机研究复合材料的组织形貌、物相结构和力学性能。结果表明,在Ti60合金中添加SiCnw后,基体晶粒尺寸显著减小,当SiCnw添加量为0.1%(质量分数)时,SiCnw/Ti60复合材料的晶粒尺寸较Ti60合金下降42%,抗拉强度提高2.7%,为1037 MPa。SiCnw在晶界处的均匀分布可起到钉扎效应,在拉伸过程中SiCnw承担了基体间的载荷传递,从而提高了SiCnw/Ti60复合材料的拉伸强度。

碳化硅纳米线增强多孔碳化硅陶瓷基复合材料的制备(英文)

构建多孔碳化硅纳米线(SiCNWs)网络并控制化学气相渗透(CVI)过程,可设计并获得轻质、高强度和低导热率SiC复合材料。首先将SiCNWs和聚乙烯醇(PVA)混合,制备具有最佳体积分数(15.6%)和均匀孔隙结构的SiCNWs网络;通过控制CVI参数获得具有小而均匀孔隙结构的SiCNWs增强多孔SiC(SiCNWs/SiC)陶瓷基复合材料。SiC基体形貌受沉积参数(如温度和反应气体浓度)的影响,从球状颗粒向六棱锥颗粒形状转变。SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料的孔隙率为38.9%时,强度达到(194.3±21.3) MPa,导热系数为(1.9±0.1) W/(m·K),显示出增韧效果,并具有低导热系数。

碳化硅纳米线的电子发射特性

以聚碳硅烷为原料,通过1 200℃高温裂解工艺制备了碳化硅纳米线,并采用碳化硅纳米线作为高功率微波源用阴极材料,进行了电子发射实验。结果表明:与天鹅绒阴极材料相比,碳化硅纳米线具有更高的电子发射电流密度,在115 kV外加激励脉冲高压下,电子发射密度为23.7 kA/cm2,而天鹅绒材料为14.0kA/cm2,并具有更好的电子发射品质及更长的使用寿命。因此碳化硅纳米线作为高功率微波源用阴极,具有很好的应用潜力。

碳化硅纳米线增强Ti60复合材料高温性能及显微组织研究

采用球磨法和等离子活化烧结技术成功制备了碳化硅纳米线(SiCnw)增强Ti60复合材料。利用扫描电子显微镜、金相显微镜和电子万能试验机研究了SiCnw对经过900℃热轧后复合材料显微组织和力学性能的影响。结果表明,在Ti60合金中添加SiCnw能够细化晶粒,减小原始β相的尺寸,增加晶界α相的数量。经过热轧处理后,SiCnw更加均匀地分布在晶界处并起到钉扎效应,晶粒细化效果更加明显。与Ti60合金相比,SiCnw/Ti60复合材料具有更好的高温性能,在500、600、700℃时,其抗拉强度分别提升了9.2%、6.7%、2.2%。SiCnw对Ti60合金显微组织和高温力学性能具有显著影响。

周期性孪晶结构碳化硅纳米线改性环氧树脂的性能

通过超声分散和模具浇注成型法制备了周期性孪晶结构碳化硅(SiC)纳米线改性环氧树脂,探讨了SiC纳米线的周期性孪晶结构及含量对环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明,周期性孪晶结构SiC纳米线的加入明显改善了环氧树脂基体的力学性能,孪晶结构有助于提高SiC纳米线与基体树脂之间的相互结合程度。随着孪晶SiC纳米线含量的增加,复合材料的拉伸性能和弯曲性能都呈现出先增加后减小的趋势。当SiC纳米线的含量为2%时,复合材料的拉伸强度、拉伸弹性模量、断裂伸长率、弯曲强度和弯曲弹性模量均达到最大值,相比于纯环氧树脂分别提高了90.6%,37.8%,38.3%,53.4%和24.5%。当SiC纳米线含量为3%时,弯曲应变达到最大值(6.72%),相比于环氧树脂提高了32.0%。

碳化硅纳米线光催化分解甲基橙性能研究

以石墨粉提供碳源,正硅酸乙酯提供硅源,在催化剂硝酸镍的作用下,通过溶胶-凝胶法和碳热还原法制备纯的碳化硅纳米线。采用X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)对其所制备的样品物相结构和表面形貌进行表征,探讨了碳化硅纳米线对甲基橙的光催化分解性能。结果表明,碳化硅纳米线的加入量和不同的光照时间均会影响甲基橙溶液的降解率。当碳化硅纳米线的加入量为150mg时甲基橙的降解率最大;光照3h甲基橙的降解率最大。

在Si(111)上磁控溅射碳化硅薄膜的H_2退火效应

用射频磁控溅射法在常温硅衬底上制备了碳化硅薄膜并研究了氢退火对薄膜的影响 .用傅里叶红外透射谱(FTIR)、X射线衍射 (XRD)、X光电子能谱 (XPS)、扫描电镜 (SEM)及原子力显微镜 (AFM)对薄膜样品进行了结构、组分和形貌分析 .结果表明 :高温退火后 Si C膜的晶化程度明显提高 。

SiC纳米线增强电纺纳米纤维的结构和性能研究

选用具有长、直形貌的陶瓷基纳米纤维即碳化硅纳米线(SiCNW)作为增强体,通过对SiCNW含量的优化与电纺液的制备,研究SiCNW的引入对电纺纤维结构和性能的影响,并分析其增强机理。SiCNW是纳米级别的陶瓷纤维,具有优异的力学、热学和抗氧化等性能,其作为增强相在金属、陶瓷等复合材料方面已经取得了一些成果,特别是在聚合物基复合材料的应用研究中取得丰硕的成果。实验结果表明:SiCNW的加入可有效强化电纺纤维,使其强度最大可提高约30%,SiCNW的强化机制为SiCNW的桥接和断裂。

环氧／碳化硅复合材料的制备和导热性能研究

碳化硅纳米线(SiCNWs)具有导热系数高、热稳定性好、力学性能及耐腐蚀性优异等优点,是提高环氧树脂复合材料导热性能的理想填料。通过对SiCNWs高温氧化使纳米线表面形成二氧化硅(SiO_2)的壳层得到核壳结构的碳化硅纳米线(SiC@SiO_2NWs),对比研究了SiCNWs和SiC@SiO_2NWs对环氧(Epoxy)复合材料热性能的影响。结果表明:Epoxy/SiC@SiO_2NWs复合材料的导热系数达到0.391W/(m·K),相比纯环氧提高了79.4%,同时提高了其热稳定性。

SiC纳米线初期微观生长模式的理论计算与模拟研究

运用从头算分子动力学模拟的方法,模拟研究了气-液-固(VLS)生长机制下碳化硅纳米线(SiC NWs)在镍催化剂表面最初生长阶段的微观生长机理。结果表明:活性碳原子在镍催化剂表面上各位置的吸附能均大于活性硅原子,所以碳原子优先吸附在镍催化剂表面;随后,由于活性硅原子在已吸附在镍催化剂表面的碳原子上的吸附能要大于活性碳原子在其上的吸附能,使得活性硅原子优先吸附在碳原子上,形成活性碳原子与活性硅原子交替吸附生长的模式。

念珠状碳化硅/二氧化硅纳米线的制备及电磁波吸收性能

通过一种简单、低成本的方法,以竹炭为碳源,在惰性气氛条件下碳热还原二氧化硅,成功制备了念珠状碳化硅(Si C)/二氧化硅(Si O2)纳米线。采用扫描电子显微镜、X射线衍射与X射线光电子能谱对念珠状Si C/Si O2纳米线的微观形貌、物相组成和化学组成进行了表征。结果表明:Si C纳米线表面光滑,直径约为150~200 nm;1~2μm的珠状突起主要成分为Si O2,并均匀分布在Si C纳米线上。室温条件下,在X波段(8.2~12.4 GHz)测试了试样的复介电常数,并以传输线理论计算出样品在不同厚度的反射损耗。结果表明:当厚度为1.80 mm时,试样的有效吸收带宽(RL<–10 d B)为2.32 GHz,最小RL值达到–43.58 d B。