关键词： 水泥基材料   碳化硅晶须   抗拉性能   断裂性能   微观结构   桥接效应  

摘要： 碳化硅晶须具有高强度、高弹性模量等优良特性。以减水剂作为分散剂制备碳化硅晶须,用来改性水泥基复合材料。通过“8”字模抗拉试验、圆环抗裂试验,以及基于数字图像相关法的预制裂缝三点弯曲试验来测试断裂性能,通过压汞试验研究孔结构,并通过SEM观测碳化硅晶须改性水泥基复合材料微观结构。结果表明,碳化硅晶须能使材料在裂缝扩展时产生裂纹偏转。碳化硅晶须的桥接效应和拔出机制可以有效控制裂纹扩展,增强水泥基材料的抗裂性能和抗拉强度;碳化硅晶须的掺入会使水泥砂浆的总孔隙率略有增加,但对水泥基材料抗拉强度和断裂性能无不利影响。

关键词： 数字光处理   SiCw/Al2O3   固化性能   力学性能   切削性能  

摘要： 陶瓷材料具有高硬度、耐磨损、化学稳定性好等优异性能,在高速切削刀具等领域中得到广泛应用。但陶瓷零件的常规制备主要依赖于模具成型,不仅小批量生产成本较高,并且在产品快速、自由成型方面存在技术瓶颈。应用数字光处理技术(Digital light process,DLP)具有高成型精度、高成型效率以及高致密性等优势,有望解决陶瓷零件的小批量近净尺寸成型制备难题。本文针对SiCw/Al2O3陶瓷浆料的制备、Al2O3基陶瓷坯体的热处理工艺以及光固化成型SiCw/Al2O3陶瓷刀具的切削应用开展研究。具体研究内容如下:首先,设计光固化SiCw/Al2O3陶瓷浆料的组分及制备工艺,研究晶须含量对浆料流变性和固化性能的影响机理。通过对光固化SiCw/Al2O3陶瓷浆料的粘度、固化深度与过量固化进行表征,分析SiC晶须含量对浆料流变性和固化性能的影响规律。基于Beer-Lambert定律建立SiCw/Al2O3陶瓷浆料固化深度与晶须含量以及曝光参数之间的预测模型,并阐述SiCw/Al2O3陶瓷浆料的过量固化尺寸与固化深度之间的映射关系,揭示Al2O3陶瓷粉体固含量和SiC晶须含量对光固化陶瓷浆料流变性的影响机理。其次,通过DLP光固化工艺制备Al2O3基陶瓷坯体,优化光固化陶瓷坯体的热处理工艺。通过热重分析技术表征光固化Al2O3陶瓷坯体内物质的热变化过程,分析脱脂温度对陶瓷坯体中有机物热解过程的影响规律,优化光固化Al2O3陶瓷坯体的热脱脂升温曲线。对脱脂后的陶瓷坯体在不同温度下烧结,分析烧结温度对尺寸收缩、微观结构以及力学性能等的影响规律,阐述了烧结温度对光固化Al2O3陶瓷性能的影响机理。通过优化脱脂、烧结工艺,提出适用于光固化成型Al2O3基陶瓷的热处理工艺路线。最后,基于优化的浆料成分及热处理工艺制备SiCw/Al2O3陶瓷刀具并开展切削性能验证。对光固化SiCw/Al2O3陶瓷进行热处理并测试表征其性能与微观结构,分析SiC晶须含量对光固化SiCw/Al2O3陶瓷性能的影响机理,优选陶瓷浆料成分并制备SiCw/Al2O3陶瓷刀具,对灰铸铁材料进行切削加工,研究光固化成型SiCw/Al2O3陶瓷刀具的切削加工性能。

关键词： 碳化硅晶须   微观结构   电磁波吸收  

摘要： 近年来，飞行器的隐身技术成为各国军事领域关注的重点。将吸波材料应用于飞行器的关键部件上，成为隐身技术设计的重要解决途径。当应用环境由常温转至高温时，吸波材料在追求“轻、薄、宽、强”的同时，还需要耐高温和抗氧化性能良好。碳基吸波材料在高温有氧条件下会发生严重的氧化反应而无法使用。而传统的磁性吸收剂因为居里温度较低，在高温下会失去磁性从而失去吸波性能。碳化硅（SiC）材料具有优异的力学性能、抗氧化性能和热稳定性能，作为一种半导体材料，可以通过介电损耗来实现吸波性能。但是，SiC材料的损耗机制单一，吸收效率较低，需要对其组成和结构进行调控，才能作为高温吸波材料使用。SiC晶须作为一种一维材料，比SiC颗粒具有更高的介电损耗。晶须之间形成的三维网络结构更有利于自由电子的传输，并发挥大的比表面优势，是高温吸波材料的重要候选材料，基于此，本文对SiC晶须的制备及吸波性能进行了相关研究，研究内容如下：　　（1）以石墨粉、树脂粉和硅粉为原料，通过碳热还原法制备得到了SiC晶须。研究了石墨基体与多孔碳毡基体表面生长SiC晶须的微观形貌及生长机制区别。石墨基体上制备的SiC晶须生长速率慢，但制备的SiC晶须中层错密度比碳毡基体上生长的SiC晶须的层错密度高，导致其在吸收层厚度为5.8mm、在17.7GHz时最低反射损失值可以达到-23.6dB。　　（2）研究了催化剂种类、反应时间、添加剂及煅烧气氛等多种工艺参数对SiC晶须组成和形貌的影响。NiSO4作为催化剂制备所得SiC晶须在频率为17.7GHz、吸收层厚度为5mm时的最低反射损失值可以达到-20.4dB。氮气的引入有利于SiC晶须中原子规则排列，降低层错密度，导致吸波性能变差。晶须中存在层错，可诱发偶极子场的产生，从而导致偶极极化增加，提高介电损耗。H3BO3添加剂会破坏SiC晶须的三维网络结构，减少SiC晶须的介电损耗，而反应时间对SiC晶须的形貌和组成没有明显影响。　　（3）为了提高阻抗匹配，通过对SiC晶须高温氧化，制备了SiC@SiO2核壳结构。SiO2作为透波材料，有利于电磁波进入SiC晶须内部，提高了整体结构的阻抗匹配。SiC@SiO2核壳结构在17GHz附近、吸收层厚度为5mm时，电磁波吸收性能从-10dB降低到-35dB，吸波性能明显提高。

关键词： 硅橡胶   晶须   取向   导热性   绝缘性  

摘要： 近年来,随着科技的进步,电气设备功率逐渐增高,产生更多的热量;半导体电子元件逐渐向着精小、高效的方向发展,内部组件排布紧密,容易产生热量堆积,为更好的提升散热效率需要不断优化热界面材料。填充型导热复合材料由于制备工艺简单,被广泛应用,对于传统球形填料而言,导热渗流阈值高,往往通过较高的填量实现高导热系数,但过多的填量会大量损失基体的绝缘性能。如何降低填量,至关重要,本文以硅橡胶为基体,以氧化锌晶须(Tetra-needle like ZnO whiskers:T-ZnO)、碳化硅晶须(Si C)为填料,制备出导热硅橡胶复合材料并对其进行电热性能测试,探索晶须改性、取向、混杂对其导热性的提升及对电性能的影响。对晶须进行改性,分别对T-ZnO进行煅烧改性及偶联剂(KH550)改性,煅烧改性是为了去除表面羟基,煅烧后的T-ZnO在水中几乎不分散,沉底现象严重,说明T-ZnO煅烧改性成功。KH550是为了改性表面羟基,降低T-ZnO表面亲水性,KH550改性T-ZnO的红外光谱图出现氨基特征峰,说明T-ZnO的KH550改性成功。对SiC进行磁性材料(FeO)包覆改性,这样可以利用磁场使其在基体中呈取向分布,对包覆改性后的Si C进行扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)表征,结果显示FeO成功包覆Si C。将T-ZnO及改性后T-ZnO填充至双组分加成型液体硅橡胶中,制备出不同质量分数的硅橡胶复合材料试样,通过导热测试数据与Maxwell-Eucken导热模型对比,发现T-ZnO比球形粒子能更快形成导热路径。对其断面进行SEM表征,发现改性后的T-ZnO与硅橡胶基体连接的更紧密,且能有效改善导热性、击穿场强及介电性能。为研究晶须混杂、取向对硅橡胶导热性的提升,制备了不同质量分数Si C硅橡胶的试样。将包覆改性的Si C填入硅橡胶中,并在磁场下进行固化,制备出10wt%的取向Si C硅橡胶试样。将包覆改性Si C与T-ZnO按照1:1比例填充硅橡胶,在磁场下固化,制备出总量为10wt%混杂取向硅橡胶试样。经断面SEM表征,发现取向SiC硅橡胶试样中SiC呈定向排列,10wt%时导热系数比纯硅橡胶高72%,比Si C硅橡胶试样高40%,但击穿场强与体积电阻率有所下降。晶须混杂取向能更快提升导热系数,与取向Si C试样相比,其导热系数、击穿场强、体积电阻率都表现得更优异。通过COMSOL仿真软件对10wt%含量的取向Si C硅橡胶试样及Si C硅橡胶试样进行了仿真分析,利用稳态法求得两者的导热系数,按照仿真数据分析,取向Si C试样的导热系数比纯硅橡胶高170%,比Si C试样高68%,导热系数的提升率比实验数据计算(72%、40%)的高,但趋势一样,结合实验和仿真可以证明取向晶须可以大大提升导热系数,降低填量。

关键词： 环氧树脂   复合材料   交流非线性特性   温度   频率  

摘要： 为了研究不同温度和频率下的交流非线性电导和介电性能,该文制备了纯环氧及不同掺杂质量分数的环氧树脂/碳化硅晶须复合材料,分别使用透射电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、动态热机械分析仪和差示扫描量热仪研究了碳化硅晶须填料的改性效果、试样的断面微观形貌、填料和试样的物相结构信息、试样的热机械特性和试样的玻璃化转变温度,通过介电谱仪偏压模块测试了材料的交流电导率和介电常数,分析了温度和频率对材料交流非线性电导和介电特性的影响。结果表明:对于相同掺杂质量分数的环氧树脂/碳化硅晶须复合材料,在相同频率下,随着温度的升高,其非线性交流电导率系数减小,非线性介电常数系数、非线性交流电导率开关场强和非线性介电常数开关场强均增大;在相同温度下,随着频率的增加,其非线性交流电导率系数和非线性介电常数系数均减小,非线性交流电导率开关场强和非线性介电常数开关场强均增大。不同温度和频率下的非线性电导特性和非线性介电特性的产生机理分别通过双肖特基势垒模型和界面电荷弛豫模型进行解释。研究结果为EP/SiCw复合材料的高温高频应用提供了实验和理论依据。

关键词： 低碳MgO-C耐火材料   碳纳米管   碳化硅晶须   力学性能  

摘要： 以电熔镁砂、鳞片石墨和Si粉为原料,以掺入硝酸铁、硝酸钴和硝酸镍的酚醛树脂为结合剂,通过原位催化热解酚醛树脂的方法,在氩气气氛下,分别经800、1100和1400℃热处理,制备了低碳MgO-C耐火材料。研究了不同催化剂对低碳MgO-C耐火材料常温性能的影响,结果表明:硝酸铁为最佳的催化剂,硝酸铁的引入促进了碳纳米管(CNTs)和SiC晶须的原位生成,提高了耐火材料的力学性能。含硝酸铁的酚醛树脂加入试样时,经1100℃热处理后其常温抗折强度和常温耐压强度最高。

关键词： 氮化硅   碳化硅晶须   硼化锆   低温热压烧结   显微结构   力学性能  

摘要： 通常低温热压烧结的Si_(3)N_(4)陶瓷具有较高的硬度和较低的断裂韧性;而高温热压烧结的Si_(3)N_(4)陶瓷具有较低的硬度和较高的断裂韧性。为了获得高硬度、高韧性Si_(3)N_(4)陶瓷,添加20%SiC_(w)(SiC晶须,体积分数)和2.5%ZrB_(2),在1500℃低温热压制备了Si_(3)N_(4)基陶瓷,开展其相组成、致密度、显微结构和力学性能研究,并与1800℃高温热压烧结Si_(3)N_(4)进行了对比研究。结果表明:SiC_(w)的引入阻碍了Si_(3)N_(4)低温致密化,致密度从97.9%降低到92.9%,Vickers硬度从20.5 GPa降低到16.4 GPa,断裂韧性从2.9 MPa·m^(1/2)增加到3.4 MPa·m^(1/2)。同步引入SiC_(w)和ZrB_(2),则促进α-Si_(3)N_(4)向β-Si_(3)N_(4)的相变,致密度仍在97.5%,硬度和韧性分别为20.7 GPa和5.1 MPa·m^(1/2)。与低温烧结Si_(3)N_(4)陶瓷相比,Si_(3)N_(4)-SiC_(w)-ZrB_(2)陶瓷的硬度未降低,而韧性大幅提升;与高温烧结Si_(3)N_(4)陶瓷相比,硬度大幅提升。通过结合SiC_(w)、ZrB_(2)以及低温热压,实现了高硬度、高韧性Si_(3)N_(4)基陶瓷的制备,有望进一步推动其在陶瓷结构件领域的应用。

关键词： SiC晶须   烧结温度   保温时间   层片堆积状组织   柱状堆积组织  

摘要： 研究了反应温度及时间对宁夏灵武地区煤泥和石英砂反应过程影响,探讨了SiC晶须生成机理.结果发现反应生成SiC晶须主要有纳米晶须、珠串状结构、层片堆积状和柱状堆积几种形貌,晶须生成取决于物质传输距离.烧结温度升高和保温时间的延长促使了纳米SiC晶须和珠串状形貌演变为层片堆积状和柱状堆积形貌.本文研究成果对于煤泥在SiC陶瓷方面应用提供了技术依据和理论支持,实现了煤泥在高性能陶瓷方面应用.

关键词： CZP陶瓷   碳化硅晶须   快速热压烧结   热膨胀性能   力学性能  

摘要： 热膨胀性能是材料的基本性质。在航空航天等领域,当器件面临极端工作温度时,巨大的温差会使得材料产生较大的热膨胀形变,或者使材料发生不均衡热膨胀,导致器件内产生热应力,致使器件性能下降,甚至直接断裂和脱落,无法继续使用。因此,具有低热膨胀系数、良好抗热震性能的低膨胀陶瓷材料就成了航空航天等领域的研究热点。传统的低膨胀材料包括NZP族磷酸盐陶瓷、钛酸铝陶瓷、堇青石陶瓷等。NZP族磷酸盐陶瓷中的Ca Zr(PO)陶瓷具有使用温度较高、化学性质稳定、制备时不容易产生杂相等优点,因而有希望成为航空航天材料的首选材料。但是,Ca Zr(PO)陶瓷较差的力学性能限制了该材料的应用。这也是NZP族陶瓷材料的通病。针对其力学性能较差的缺点,本文采取了晶须增韧及快速热压烧结工艺改良Ca Zr(PO)陶瓷。采用共沉淀法制备Ca Zr(PO)陶瓷粉体,采用普通无压烧结和快速热压烧结进行陶瓷的烧制。对试样进行X射线衍射分析、扫描电镜分析、材料密度、抗弯强度及热膨胀系数测试。研究了材料组分及烧结工艺对材料的结构与性能的影响。(1)采用快速热压烧结工艺制备Ca Zr(PO)陶瓷。探讨了新工艺的烧成制度,研究了保温时间、烧结温度、烧结压力对于材料的结构与性能的影响。经过对陶瓷烧结过程中的实时收缩量的分析,确定烧成段的保温时间为8分钟。快速热压烧结工艺会导致材料本体微裂纹的空间减少,这会提高材料的平均热膨胀系数。烧结的压力促进了材料的致密化,显著提高了材料的密度与抗弯强度。烧结温度的提高有利于陶瓷的致密化,最佳的烧结温度为1150℃、压力为50 MPa,制得的陶瓷的抗弯强度达到最大值94 MPa。陶瓷热膨胀系数为1.04×10/℃。(2)依据晶须增韧原理,利用Si C对Ca Zr(PO)陶瓷进行补强增韧。讨论了Si Cw加入量和烧结温度对Ca Zr(PO)-Si C复合陶瓷的结构与性能的影响。研究得到的最佳烧结温度为1400℃,温度提高到1500 C会使材料分解。提高Si C加入量可以增强晶须增韧的效果,但同时也会影响陶瓷烧结的能力,所以,随着Si C加入量的增加,陶瓷的密度和力学性能呈现先上升后下降的趋势。在Si C加入量为5wt%时,材料的抗弯强度达到最大值,为56 MPa。此时,材料的热膨胀系数为0.501×10/℃。提高烧结温度对提高Ca Zr(PO)-Si C复合陶瓷的致密度有利,但是,仅仅通过提高烧结温度很难达到Ca Zr(PO)-Si C复合陶瓷的充分致密化。Ca Zr(PO)-Si C复合陶瓷在烧结温度达到1500℃时发生分解。(3)采用了快速热压烧结工艺制备Ca Zr(PO)-Si C复合陶瓷。探讨了新工艺的烧成温度制度,研究了烧结温度、烧结的压力、保温时间、和碳化硅晶须加入量对材料的结构与性能的影响。最佳的烧结温度和保温时间分别为1225℃、10 min。当碳化硅晶须加入量达到7.5wt%时,材料的抗弯强度达到124 MPa,热膨胀系数维持在较低的水平。快速热压烧结促进烧结的效应大于晶须抑制烧结,材料的晶粒比无压烧结试样的晶粒小。

关键词： 碳化硅晶须   氧化铝基陶瓷   力学性能   热学性能   抗辐照性能  

摘要： 氧化锆增韧氧化铝(ZTA)复合材料因其优异的力学性能,被认为是核能装置候选材料之一。虽然利用相变增韧提高了ZTA复合材料的韧性,但仍不能满足核能装置结构材料应用的要求。复合材料要应用于核能领域,不仅需要优异的力学性能,还需要有高的导热系数、强的耐腐蚀性能、良好的抗辐照以及热稳定性等性质,其中抗辐照性能对核能系统的安全性至关重要。因此,进一步深入开展ZTA复合材料的性能改良与抗辐照性能研究,对于核能装置用高性能ZTA基复合陶瓷材料的研发具有重要意义。本论文以氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷为基体,将氧化铝陶瓷作为对比基体,将碳化硅晶须(Si C)作为增韧相,采用放电等离子法(SPS)制备ZTA/AlO-Si C复合材料。增韧相Si C晶须的添加量分别为3.0、5.0、7.0和10.0vol%。通过物相组织、显微结构、力学性能以及热学性能测试,研究少量晶须添加对ZTA/AlO-Si C复合材料微观结构和性能的影响。通过He/Si离子辐照技术研究了复合陶瓷的抗辐照性能,为Si C增韧氧化铝基复合陶瓷的核能应用提供实验依据。本论文创新性结果如下:***-Si C复合陶瓷:随着Si C晶须含量的增加,复合材料的致密度先减小后增加,平均晶粒尺寸逐渐减小,说明碳化硅晶须的添加具有细化晶粒的作用。复合陶瓷的弯曲强度随着晶须含量的增加而增加,而维氏硬度和断裂韧性随晶须含量的增加先减小再增加,与相对密度的变化趋势一致,表明ZTA基体中加入少量Si C晶须对复合材料起到强化作用。随着晶须含量的增加ZTA-Si C复合材料的热扩散性能提升。在所选温度范围内,随着烧结温度的升高,晶须含量10.0 vol%的ZTA-Si C复合材料的力学性能基本保持不变;而其热扩散系数和热导率持续增加。复合材料的主要增韧机制为穿晶断裂增韧,裂纹的偏转、分枝和桥连增韧,氧化锆的相变增韧,以及晶须的拉拔、断裂增韧。复合材料的断裂机制是穿晶断裂和沿晶断裂混合机制。***-Si C复合陶瓷:复合陶瓷制备过程引入了少量的Zr O相。随着Si C晶须含量的增加,复合陶瓷的晶粒尺寸明显减小,维氏硬度和断裂韧性明显提高,表明AlO基体中加入Si C晶须对复合材料起到硬化和韧化作用。随着晶须含量的增加,复合材料的热扩散系数和热导率减小。随着烧结温度的增加,在所选烧结温度范围内晶须含量10.0 vol%的AlO-Si C复合材料的晶粒尺寸、断裂韧性、热扩散系数和热导率持续增加,而相对密度和维氏硬度先增加后减小。***-Si C复合陶瓷的He离子辐照:辐照未导致AlO-Si C复合陶瓷的物相组分变化,但使得复合材料的结晶度和相结构发生了轻微的退化。在复相陶瓷中存在大量的氦泡,主要分布在α-AlO晶粒内和各种晶界、相界处,t-Zr O晶粒内部无明显的氦泡。室温辐照后复合陶瓷纳米硬度和杨氏模量轻微的硬化,说明AlO-Si C复合材料具有较好的抗辐照硬化性能。高温辐照后氦泡的尺寸增大,且在峰值区观察到形成了微裂纹,降低了复合材料辐照硬化的程度。***-Si C复合陶瓷的Si离子辐照:辐照后ZTA-Si C复合材料中t-Zr O相发生了晶格肿胀,α-AlO和Si C相的结晶度和相结构发生退化。室温辐照时,当辐照剂量达到1.80×10 ion/cm在辐照峰值区形成了非晶带,且不同晶粒中非晶带的宽度不同,同时复合陶瓷硬度和模量明显减小,即辐照导致了材料软化。当辐照温度升高后,辐照损伤有所恢复,软化现象也基本恢复,说明ZTA-Si C复合材料具有较好的高温抗辐照性能。