化学气相渗透2D-SiCf/SiC复合材料的蠕变性能及损伤机理

研究了采用化学气相渗透工艺制备2D-SiCf/SiC复合材料的真空蠕变性能,蠕变温度为1200、1300和1400℃,应力水平范围为100~140 MPa。用扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电子显微镜(TEM)分别观察分析了2D-SiCf/SiC复合材料的蠕变断口形貌和微观结构。结果表明,2D-SiCf/SiC复合材料的主要蠕变损伤模式包括基体开裂、界面脱粘和纤维蠕变。桥接裂纹的纤维发生蠕变并促进了基体裂纹的张开、位移增大,进一步导致复合材料蠕变断裂,在复合材料蠕变过程中起决定性作用。2D-SiCf/SiC复合材料的蠕变性能与SiC纤维微观结构的稳定性密切相关。在1200℃/100 MPa时,纤维晶粒没有长大,复合材料的蠕变断裂时间大于200 h;蠕变温度为1400℃时,纤维晶粒明显长大, 2D-SiCf/SiC复合材料蠕变断裂时间缩短至8.6 h,稳态蠕变速率增大了三个数量级。

TiO_(2)添加量对SiC多孔陶瓷物相组成及性能的影响

为制备同时具有高气孔率和高强度的硅结合SiC多孔陶瓷,以α-SiC粉、单质Si粉及TiO_(2)粉为主要原料,在氩气气氛下经1400℃保温3 h制备SiC多孔陶瓷,探究TiO_(2)添加量(加入质量分数分别为0、2%、4%、8%)对材料物相组成、显微形貌、孔径分布及主要物理性能的影响。结果表明:随TiO_(2)添加量的增加,单质Si的衍射峰逐渐消失,材料中检测到Ti_(3)O_(5)及TiSi_(2)物相,伴随着新相的生成,SiC颗粒间结合更加紧密,其显气孔率及平均孔径减小,力学性能显著提升。当TiO_(2)添加量为8%(w)时,材料具有优异的综合性能,其显气孔率、常温抗折强度及平均孔径分别为33.6%、29.6 MPa和0.27μm。

ZrO_(2)修饰对Co/SiC催化剂的费托合成性能影响

本研究采用ZrO_(2)对SiC表面进行改性,制得系列Co-ZrO_(2)/SiC催化剂,借助N2物理吸附、XRD、H2-TPR、XPS等表征手段对催化剂物化性质进行结构分析,并利用微型固定床反应器对催化剂的活性进行评价,研究ZrO_(2)改性SiC载体对钴基费托合成催化剂的影响。研究结果表明,由于ZrO_(2)体相存在氧空穴等不同的活性位,H2在Co表面被活化后形成的部分H溢流到ZrO_(2)表面并储存到ZrO_(2)表面,而ZrO_(2)与Co之间存在相对较强的相互作用,使得Co周围的H浓度增加,进而Co/SiC催化剂的还原度显著增加。同时,ZrO_(2)与SiC表面的无定形相发生相互作用形成Zr−O−Si键。由于Si(1.90)的电负性高于Zr(1.33),部分电子可以通过Zr-O-Si结构从Zr转向Si,形成富电子的SiOxCy相和SiO_(2)相。从而降低了SiC表面无定形相的对Co物相吸电子能力,减弱了Co与SiC表面的无定形相的相互作用,进而提高了Co相的电子密度。采用ZrO_(2)对SiC进行修饰后,同时提高了Co/SiC催化剂中Co物相的电子密度和还原度,使得催化剂对长链烃的选择性显著提升。

2D-SiC_(f)/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂试验及表征

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC_(f)/SiC的层间裂纹驱动的加载数据,得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程,通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程,探究了2D-SiC_(f)/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiC_(f)/SiC的层间断面特征,揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明:W-DCB方法测量的2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型初始能量释放率与DCB方法等效;2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型断裂过程中,裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征,反映了2D-SiC_(f)/SiC层间约束关系的复杂性;层间断面为结构性非完全损伤,发生了局部纤维桥连现象。

CeO_(2)/MoSi_(2)改性ZrB_(2)-SiC陶瓷的烧结性能及耐烧蚀性能

无压烧结ZrB_(2)-SiC陶瓷可制备复杂形状构件,但致密化难且耐烧蚀性能有待提高,因此亟需研究能够改善陶瓷致密化的有效烧结助剂。本文采用CeO_(2)和MoSi_(2)为烧结助剂,在1850℃无压烧结1 h条件下制备了ZrB_(2)-SiC陶瓷,研究了CeO_(2)和MoSi_(2)对ZrB_(2)-SiC陶瓷烧结性能和耐烧蚀性能的影响。结果表明,当5%(体积分数)的烧结助剂中CeO_(2)和MoSi_(2)体积比为1∶1时,ZrB_(2)-SiC陶瓷的烧结性能、耐烧蚀性能最佳。烧结助剂在烧结过程中形成Ce-Mo液相,陶瓷颗粒在液相的表面张力下重排和传质,Ce-Mo液相促进陶瓷颗粒在毛细力下形成烧结颈,填充于陶瓷颗粒的间隙中,并在降低陶瓷晶粒的晶界能时促进致密化进程,最终获得无压烧结密度为5.02 g/cm^(3)、相对密度为89.71%、维氏硬度为14.04 GPa的ZrB_(2)-SiC陶瓷。相对于未添加烧结助剂时,实际密度提高了53%,维氏硬度提高了43%。在烧蚀过程中,烧结助剂适量补充SiO_(2)后可促进黏度适宜的玻璃相自愈合,并提高ZrO_(2)的稳定性,使ZrB_(2)-SiC陶瓷具有最好的耐烧蚀性能,此时ZrB_(2)-SiC陶瓷质量烧蚀率为-1.62 mg/s,线烧蚀率为0.33μm/s。

骨料种类对铁水包用Al_(2) O_(3)-SiC-C砖性能的影响

骨料作为耐火材料的重要组成部分,决定着材料的各项性能。分别以粒度均为5~3、3~1和≤1 mm的高铝矾土、电熔棕刚玉、板状刚玉为骨料,以电熔白刚玉(≤0.045 mm)、SiC(≤0.075 mm)、活性α-Al_(2)O_(3)微粉(≤0.045 mm)和鳞片石墨(≤0.15 mm)等为基质,以热固性酚醛树脂为结合剂制备了Al_(2)O_(3)-SiC-C砖,研究了骨料种类(高铝矾土、电熔棕刚玉、板状刚玉)对Al_(2)O_(3)-SiC-C砖常温力学性能、高温力学性能和抗渣性能的影响。结果表明:以板状刚玉为骨料时,由于其较高的致密度和较低的杂质含量,使得Al_(2)O_(3)-SiC-C砖具有最优的高温力学性能和抗渣性能;以高铝矾土为骨料时,由于其较高的气孔率和杂质含量,导致试样高温力学性能和抗渣性最差。

碳热还原氮化硅藻土制备Si_(2)N_(2)O/SiC复合粉体

氧氮化硅(Si_(2)N_(2)O)是性能优良的耐火材料和高温结构材料,具有优异的抗蠕变性、耐腐蚀性和抗氧化性等优点。本工作利用硅藻土作为硅源,乙炔炭黑作为还原剂,通过碳热还原氮化法在硅藻土表面原位合成Si_(2)N_(2)O/SiC复合粉体。采用X射线衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)和N_(2)吸附/脱附等温线对样品进行表征。结果表明,在原料配比m(硅藻土)∶m(乙炔炭黑)=1∶1条件下,1 450℃煅烧4 h后,SiO_(2)完全转变成Si_(2)N_(2)O和β-SiC物相,样品整体呈球状形貌,大颗粒周围分布大量片层状小颗粒,并存在介孔结构。Si_(2)N_(2)O/SiC复合粉体作为性能优良的高温结构材料,有望在结构复合材料中得到广泛的应用。

Ag/SiC和Ag/Al_(2)O_(3)-SiC催化剂的乙烯环氧化催化性能

制备了高分散的Ag/SiC和Al_(2)O_(3)修饰的Ag/SiC催化剂,并用于乙烯环氧化反应。结果显示,Al_(2)O_(3)修饰的Ag/SiC催化剂对乙烯的转化率显著提高,但环氧乙烷的选择性急剧降低。进一步研究发现,在反应过程中乙烯吸附在SiC表面;O_(2)在Ag表面解离后,活性O物种溢流到SiC表面参与环氧化反应。Al_(2)O_(3)修饰后改变了Ag的电子性质,抑制了活性O物种在SiC表面的迁移,导致反应性能的改变。该工作为乙烯环氧化催化剂的设计提供了一定的参考。

基于Ga_(2)O_(3)-SiC-Ag多层结构的介电常数近零超低开关阈值光学双稳态器件

光学双稳态这一非线性光学现象因其在全光系统中的巨大应用潜力而备受关注.然而微弱的非线性响应往往需要巨大的输入功率才能实现光学双稳态,导致其实用性不强.本文基于Ga_(2)O_(3)-SiC-Ag的金属-介电材料多层结构,在实现介电常数近零的大场增强的同时,还引入了具有大非线性系数的材料,并基于有限元法研究了介电常数近零层的厚度和长度对光学双稳态的影响.研究结果表明,光学双稳态随介电常数近零层的厚度和长度的增大而变得愈发显著,在通信波段的开关阈值低至约10^(-6)W/cm^(2),与之前报道的基于介电常数近零材料的光学双稳态相比,降低了9个数量级,展现了在光子集成电路产业化中的巨大应用潜力.

SiC聚合物前驱体和Zn粉复合对Al_(2)O_(3)-C不烧滑板材料性能的影响

为提高Al_(2)O_(3)-C不烧滑板材料的中低温强度,首先将质量比为1∶0.15∶2.7∶0.03的蔗糖、六水合硝酸镍、正硅酸乙酯、草酸水溶液依次添加至乙醇水溶液中,经110℃干燥18 h后得到SiC聚合物前驱体,然后以板状刚玉、α-Al_(2)O_(3)微粉、鳞片石墨为主要原料,复合添加SiC聚合物前驱体和Zn粉,在150 MPa下压制成150 mm×25 mm×25 mm的坯体试样,经180℃固化24 h后,在埋碳条件下经600、800、1000、1200和1400℃热处理3 h。研究了SiC聚合物前驱体和Zn粉复合添加对Al_(2)O_(3)-C材料性能的影响。结果表明:SiC聚合物前驱体和Zn粉的最佳添加量(w)分别为4.5%和1.5%,此时Al_(2)O_(3)-C材料综合性能最优。低温时Zn粉熔融,在材料体系中形成金属结合相;中温时SiC聚合物前驱体发生热解反应及Zn粉气化的催化作用,使体系形成SiC纤维结合相;二者共同作用,赋予Al_(2)O_(3)-C不烧滑板材料较高的中低温强度,克服了现有材料使用过程中因强度过低导致的失效问题。

4H-SiC衬底上高厚度SiO_(2)薄膜的高温性能研究

采用等离子体增强化学的气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)工艺在厚度370μm的4H-SiC衬底上生长厚度2μm的SiO_(2)薄膜样品,将样品在大气环境下分别经600℃、700℃、800℃和900℃高温处理1 h,从而研究分析SiO_(2)薄膜高温性能变化机制。研究表明,随着处理温度的提高,SiO_(2)薄膜的晶体形貌由混合的准晶体向单晶转变,薄膜致密性变好。SiO_(2)薄膜样品的处理条件为环境温度800℃、处理时间1 h时,其薄膜断面非晶态较少,中心应力最小,折射率最大,致密性最好。随着温度持续升高,SiO_(2)薄膜的非晶态增多,并出现大量的颗粒聚集,中心应力逐步增大,折射率和致密性稍有降低。

硅溶胶-酚醛树脂共结合Al_(2)O_(3)-SiC-C砖性能研究

为了缓解酚醛树脂碳化引起的Al_(2)O_(3)-SiC-C砖组织结构劣化,提升Al_(2)O_(3)-SiC-C砖的力学性能和抗渣性能,以粒度分别为5~3、3~1和≤1 mm的高铝矾土为骨料,以电熔白刚玉(≤0.045 mm)、SiC(≤0.075 mm)、α-Al_(2)O_(3)微粉和鳞片石墨(≤0.15 mm)等为基质,以热固性酚醛树脂和硅溶胶为结合剂,制备了硅溶胶-酚醛树脂共结合Al_(2)O_(3)-SiC-C砖。在酚醛树脂外加量为4.5%(w)的基础上,探究了硅溶胶的加入量(外加质量分数分别为0、0.45%、0.90%和1.35%)对Al_(2)O_(3)-SiC-C砖常温力学性能、高温力学性能和抗渣性能的影响。结果表明:引入适量硅溶胶可以有效提升Al_(2)O_(3)-SiC-C砖的力学性能及抗渣性能,当硅溶胶加入量为0.45%(w)时,试样具有优异的常温、高温力学性能及抗渣性能。

Al_(2)O_(3)膜对高温环境下NiCrAlY-SiC复合镀层内部反应的阻隔及涂层耐磨性研究

为了解决以SiC颗粒为磨料的叶尖耐磨复合镀层在高温工况下SiC与涂层中Ni元素反应导致涂层耐磨性下降等问题,采用化学气相沉积(chemicalvapor deposition,CVD)工艺方法在SiC颗粒表面制备了Al_(2)O_(3)膜以阻隔SiC与涂层中Ni元素的反应。研究了0.5~1.0μm和5.0~10.0μm这2种厚度范围的Al_(2)O_(3)膜对NiCrAlY-SiC@Al_(2)O_(3)叶尖耐磨镀层中SiC颗粒与NiCrAlY镀层在1100℃高温环境下反应的阻隔效果,并测试了2种Al_(2)O_(3)膜厚度的NiCrAlY-SiC@Al_(2)O_(3)叶尖耐磨镀层在1100℃高温环境下保温500 h后的耐磨性。结果显示,5.0~10.0μm厚度的Al_(2)O_(3)膜可有效阻隔SiC颗粒与NiCrAlY镀层的高温反应,使NiCrAlY-SiC@Al_(2)O_(3)涂层在1100℃高温环境下保持良好的耐磨性,并与ZrO2陶瓷封严涂层形成良好的对磨匹配效果。

Al_(2)O_(3)含量与晶型对赛隆结合SiC基浇注料性能的影响

在超低水泥结合碳化硅基浇注料中加入不同含量和晶型的Al_(2)O_(3),经振动浇注成型,在高纯流动氮气中经1420℃氮化得到赛隆结合SiC耐火材料,检测了氮化后试样的常规物理性能,重点研究了Al_(2)O_(3)含量与晶型对试样高温抗折强度(1200℃、1400℃)、抗热震性的影响,并利用XRD和SEM对物相和显微结构进行了分析。结果表明:结合相与Si在高温下在氮气中发生原位反应生成了呈网络状的交织分布的赛隆,增强了SiC颗粒和基质之间的结合,使碳化硅浇注料试样高温性能得到提高;当刚玉含量为3%时,试样高温抗折强度(1200℃、1400℃)分别为64.3 MPa和13.7 MPa;随着刚玉含量的增加,赛隆相开始增多,但高温抗折强度变化不大;当Al_(2)O_(3)微粉含量为3%时,赛隆相含量增加至15%,高于刚玉含量为12%的试样,高温抗折强度(1200℃、1400℃)分别为64.3 MPa和15.2 MPa;试样抗热震性能整体优于加入刚玉的试样。

SiO_(2)微粉加入量对β-SiAlON-SiC材料性能的影响

在保证承烧锂电池三元正极材料匣钵用β-SiAlON-SiC材料抗碱性的前提下,以SiC颗粒和细粉、Si粉、Al粉、α-Al_(2)O_(3)微粉等为原料,采用高温氮化法制备β-SiAlON-SiC材料,研究了SiO_(2)微粉加入量(外加质量分数分别为0、1%、2%、3%)对β-SiAlON-SiC材料的显气孔率、体积密度、常温抗折强度、高温抗折强度、物相组成、抗碱性的影响。结果表明:1)在β-SiAlON-SiC材料中添加SiO_(2)微粉可以降低其显气孔率,显著提高其常温抗折强度和高温抗折强度;2)添加SiO_(2)微粉不会影响Si粉和Al粉的氮化效果,但会影响Al_(2)O_(3)在Si_(3)N_(4)中的固溶度和β-SiAlON的生成量;3)SiO_(2)微粉的最优添加量为1%(w),所得试样的抗碱性明显优于未添加SiO_(2)微粉试样的。

B4C对Si3N4/Si_(2)N_(2)O结合SiC材料抗热震性能的影响

首先以Si粉、SiO_(2)微粉为原料,先在700℃空气气氛处理,然后在1400℃氮气气氛下合成Si_(2)N_(2)O,研究了B_(4)C添加量(外加质量分数分别为0、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%)对Si_(2)N_(2)O合成效果的影响。然后根据B_(4)C最优加入量,先在700℃空气气氛保温5 h,然后在1400℃氮气气氛保温5 h制备了Si_(3)N_(4)/Si_(2)N_(2)O结合SiC试样。采用1300℃风冷5次后试样的抗折强度保持率评价其抗热震性,分析了热震前后试样的物相组成和显微结构。结果表明:1)合成Si_(2)N_(2)O的B_(4)C最优添加量为3%(w);在700℃空气处理时,B_(4)C优先和气氛中O_(2)反应生成液相B2O3,为1400℃氮气气氛生成板片状Si_(2)N_(2)O提供充足液相。2)风冷热震后,添加B_(4)C的试样中Si_(2)N_(2)O结合相保持完整,强度保持率由未添加时的67.5%提高至88.5%;同时,生成的B2O3发生碳热还原氮化反应,生成导热性好、具有自润滑特性的BN,改善其抗热震性,并在使用过程中继续为Si_(3)N_(4)/Si_(2)N_(2)O结合SiC材料提供保护。

热处理温度对SiC-MgAl_(2)O_(4)-Al复合材料性能的影响

为提高煤气化炉用碳化硅-尖晶石复合材料的力学性能,以SiC颗粒(≤2.5 mm)、尖晶石细粉(≤90μm)、α-Al_(2)O_(3)微粉(d_(50)≈5μm)和金属Al粉(≤74μm)为主要原料,在氮气气氛中进行热处理,制备了SiC-MgAl_(2)O_(4)-Al复合材料。分析了200~1600℃不同热处理温度对复合材料显微结构、物相组成和力学性能的影响。结果表明:1)当热处理温度大于1000℃时,复合材料中的Al开始逐渐反应生成Al-O-C-N晶须,可显著提升材料的力学性能。2)常温和热态抗折强度随着复合材料内Al-O-C-N晶须含量的增多和尺寸的增大而提高。通过调整热处理温度可调控材料内Al-O-C-N晶须的物相组成、含量和形貌等,从而实现对复合材料物相组成与显微结构的调控,提升材料的力学性能。

抗氧化剂对Al_(2)O_(3)-SiC-C铁沟浇注料性能的影响

在Al_(2)O_(3)-SiC-C铁沟浇注料抗氧化行为研究的基础上,对比研究了碳化硼、单质硅的添加及其二者复合对浇注料显微结构与性能的影响。研究结果表明:随着碳化硼加入量的增加,浇注料的抗氧化性和致密性得到改善,常温和高温力学性能、抗熔渣侵蚀和渗透能力显著提高;但是,碳化硼加入量过高可导致含硼低黏度液相的生成量增加,并降低浇注料的抗熔渣侵蚀性能。单质硅的添加及不同粒径硅粉的复合,有利于浇注料致密性和抗氧化能力的提高;控制小粒径单质硅的加入量,同时降低低熔点复合硅酸盐液相的生成量,有利于保持浇注料优良的抗氧化性、力学性能和抗熔渣侵蚀性能。

ZrC-SiC-MoSi_(2)涂覆C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料在氧乙炔焰下的烧蚀行为及机理

为进一步提高C/C复合材料在不同烧蚀环境下的烧蚀性能,采用浆料刷涂法在C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料上制备Zr含量分别为34%和60%(质量分数)的ZrC-SiC-MoSi_(2)涂层,并且利用氧乙炔焰研究涂层C/C-SiC-ZrC复合材料在3种不同氧气及乙炔流量下的烧蚀行为。结果表明:随着Zr含量的增加,涂层内部的ZrC和SiC颗粒尺寸明显减小,且颗粒分布更加均匀。Zr含量为60%的涂层线烧蚀率随氧气和乙炔流量的增加而增加,而Zr含量为34%的涂层线烧蚀率随氧气和乙炔流量的增加,先增加后降低。此外,详细讨论ZrC-SiC-MoSi_(2)涂层在不同条件下的烧蚀机理。随着氧气和乙炔流量的增加,主要的烧蚀机制由氧化变为氧化和蒸发的结合作用,最后变为氧化、蒸发及剥蚀的结合作用。

Y_(2)O_(3)改性SiC陶瓷高温水氧行为研究

连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)因高温水氧侵蚀致使力学性能急剧下降,限制了其热端部件在航空发动机中的长寿命服役。研究证实,该侵蚀主要表现为SiC基体和纤维与水、氧气反应生成气相Si(OH)_(4),导致质量耗散。因此,从组分、结构调控角度提升SiC耐水氧侵蚀性能已成为研究热点。对比研究了添加和未添加Y_(2)O_(3)对SiC陶瓷水氧侵蚀行为的影响。与SiC陶瓷相比,SiC-Y_(2)O_(3)陶瓷的氧化速率及挥发速率均明显下降,且随着氧化温度的升高,两者差距愈发明显,可见添加Y_(2)O_(3)后SiC陶瓷的耐水氧侵蚀性能得到明显改善。氧化后的陶瓷微观结构表明,SiC-Y_(2)O_(3)陶瓷氧化层明显更薄且更致密,进一步分析表明这主要由Y组分在陶瓷表面的迁移以及聚集所致。在侵蚀过程中,陶瓷内部的Y_(2)O_(3)会向SiC陶瓷表面迁移,并与SiO_(2)反应形成β-Y_(2)Si_(2)O_(7),并逐渐聚集形成连续的Y_(2)Si_(2)O_(7)层。因此,在氧化层与SiC陶瓷交界处形成了一个富Y_(2)Si_(2)O_(7)/富Y_(2)O_(3)层。多层含Y氧化层在陶瓷表面形成水氧阻挡屏障,有效抑制了水氧介质向陶瓷内部的渗透与侵蚀。该研究结果为SiC_(f)/SiC复合材料的耐水氧结构设计与调控提供了重要思路。