本文選題：Si-B-C-N + 納米　； 參考：《北京科技大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：近年來,采用有機(jī)硅聚合物先驅(qū)體制備的Si-C-N、Si-B-N和Si-B-C-N等非晶陶瓷以其優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和良好的抗氧化等性能受到了廣泛關(guān)注,此類材料甚至能夠在2000℃的高溫條件保持穩(wěn)定,顯示了良好的應(yīng)用前景。但是,利用有機(jī)聚合物先驅(qū)體制備陶瓷材料也存在不足之處。由于在先驅(qū)體熱解過程中有大量氣體溢出,導(dǎo)致制備陶瓷的氣孔率很高、缺陷較多,影響到材料的性能,因此,先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法在制備致密的大塊體非晶陶瓷方面遇到了困難�；谝陨系谋尘�,本論文開發(fā)了一種合成Si-B-C-N納米非晶態(tài)粉末的新工藝,在低溫液氨體系中,利用液氨能夠溶解堿金屬形成強還原介質(zhì)的特性,以SiC14,SiC13CH3和BBr3的混合溶液為原料,金屬鈉為還原劑,反應(yīng)制備了 Si-B-C-N納米非晶粉體,并以該粉體為原料,采用放電等離子燒結(jié)的方式,制備了致密的Si-B-C-N非晶陶瓷。本文的研究內(nèi)容和成果包括以下幾個方面:(1)提出了一種在低溫條件下制備Si-B-C-N納米非晶粉體的新方法。以SiCl4,SiCl3CH3和BBr3的混合溶液為原料,將其與金屬鈉的液氨溶液反應(yīng)分別制備了 Si-B-N,Si-C-N和Si-B-C-N納米非晶粉體,粉體的微觀形貌為顆粒狀,粒徑約20nm。三元體系中,Si-C-N三元系的Si4CN4可以在1450℃保持穩(wěn)定的非晶態(tài)結(jié)構(gòu),Si-B-N三元系的Si3B3N7粉末能夠在1550℃保持穩(wěn)定的非晶態(tài)結(jié)構(gòu),而四元系Si-B-C-N納米非晶粉體在1650℃下仍然保持穩(wěn)定的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)顯示了優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。與現(xiàn)行的有機(jī)先驅(qū)體合成工藝相比,本方法省去了先驅(qū)體聚合物合成的復(fù)雜過程,具有工藝簡單、流程短、制備溫度低等特點,并且合成粉末的清潔度高,尺度很小,為納米級。(2)從Si-B-N和Si-C-N三元系材料出發(fā),考察了 B和C含量對非晶粉體熱穩(wěn)定性的研究。最終確定Si-B-C-N納米非晶粉體的最佳成分為Si4B3CN7。并以該組分為起點,研究了其附近成分非晶粉末的性能,發(fā)現(xiàn)B含量降低會對其晶化溫度產(chǎn)生影響,C的少量增大會一定幅度提高燒結(jié)塊體的力學(xué)性能。此外,B和C含量的提高均會影響陶瓷塊體的抗氧化性,使其小幅度下降。(3)以液氨體系中制備的Si-B-C-N納米非晶粉末為原料,在不添加燒結(jié)助劑的情況下,通過SPS燒結(jié),制得了不同致密度的Si-B-C-N非晶陶瓷。在1650℃下SPS燒結(jié)試樣保持非晶態(tài)結(jié)構(gòu),其相對密度達(dá)到了 98.5%。實驗合成的Si-B-C-N納米非晶粉末便顯出了優(yōu)異的燒結(jié)性能,在不需添加任何燒結(jié)助劑的條件下,完成了非晶陶瓷的致密燒結(jié),與文獻(xiàn)報道相比,本研究的燒結(jié)溫度低,并且未引入燒結(jié)助劑。該系列非晶陶瓷表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗氧化性和力學(xué)性能,在經(jīng)過1550℃空氣氣氛下100小時的氧化之后,其重量變化僅為0.01%。同時,該系列陶瓷的力學(xué)性能也保持在比較高的水平,其三點彎曲強度可達(dá)715 MPa,維氏硬度和斷裂韌性也分別達(dá)到9.0 GPa和11.4 MPa · m1/2。(4)通過采用Si-B-C-N納米非晶粉末原位包覆商業(yè)Si3N4粉末的方式來改善微米粉末的燒結(jié)性能,當(dāng)包覆量為30 wt%時,已經(jīng)實現(xiàn)了良好的包覆效果。實驗制備的納米-微米復(fù)合粉末表現(xiàn)出優(yōu)異的燒結(jié)性能。30 wt%包覆量的商業(yè)Si3N4粉末表面被完全包覆,在1650℃下經(jīng)SPS燒結(jié)后,試樣的相對密度達(dá)到了 98.0%,陶瓷體接近完全致密。與氮化硅陶瓷塊體相比,采用納米-微米復(fù)合粉末制備的陶瓷具有更好的力學(xué)性能和抗氧化性。(5)用Si-B-N纖維對SI-B-C-N陶瓷進(jìn)行增韌,首先通過原位包覆使SI-B-C-N均勻地包覆在Si-B-N纖維表面,包覆量達(dá)到40 wt%的試樣其力學(xué)性能和抗氧化性達(dá)到最大。與未經(jīng)過增韌的非晶塊體相比,其抗氧化性有小幅下降,其斷裂韌性從10.9MPa.m1/2提高到11.3MPa.m1/2,強度從679MPa·提高到701 MPa.1/2,可見纖維在陶瓷塊體中起到了一定的增韌效果。本文研究優(yōu)化了非晶粉體的成分和燒結(jié)工藝,并對不同成分粉體燒結(jié)后塊體的力學(xué)性能和抗氧化性分別進(jìn)行了探索,在粉體的制備和粉體成分的選擇方面體現(xiàn)了良好的創(chuàng)新性,
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【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ174.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1745616