【摘要】：多孔氮化硅具有優(yōu)秀的耐高溫性能、較高的強(qiáng)度和較低的介電常數(shù),成為航空航天領(lǐng)域的重要材料。但氮化硅耐力學(xué)和熱沖擊能力差,容易發(fā)生力學(xué)沖擊斷裂和熱震斷裂,嚴(yán)重限制了在工程上的應(yīng)用。因此提高氮化硅材料抵抗力學(xué)沖擊和熱沖擊的能力成為本文的研究目標(biāo)。為了不損失氮化硅材料的介電性能和高溫使用性能,本文在改善材料性能時(shí)不引入金屬或有機(jī)材料,僅從材料結(jié)構(gòu)控制的角度研究改善多孔氮化硅力熱性能的方法。自然界的骨骼、貝殼、骨針等生物材料存在豐富的多尺度結(jié)構(gòu),在不同尺度上有著不同的力學(xué)效果,能夠避免單一尺度上的性能缺陷,而這正是工程陶瓷材料難以解決的問(wèn)題。而層狀陶瓷利用高低模量層的搭配,在斷裂過(guò)程中使裂紋沿弱界面處偏轉(zhuǎn),能夠起到能量耗散的增韌效果。因此本文以生物材料的多尺度結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)參考,以層狀結(jié)構(gòu)為宏觀結(jié)構(gòu),以多孔氮化硅為微觀結(jié)構(gòu),控制層間結(jié)合將二者組合,得到多尺度結(jié)構(gòu)氮化硅,以實(shí)現(xiàn)更有效的裂紋偏轉(zhuǎn)效果。為了達(dá)到這一目的,本文利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了前期模擬設(shè)計(jì)。微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,氣孔率是影響氮化硅模量的主要因素,而晶粒的形貌對(duì)模量影響較小。模擬宏觀層狀結(jié)構(gòu),高低模量之比R值較大時(shí),材料應(yīng)力集中明顯,會(huì)影響材料整體強(qiáng)度,且斷裂時(shí)易發(fā)生層間剝離。為了保證材料強(qiáng)度,本文從高低模量之比R2開(kāi)始設(shè)計(jì)層狀結(jié)構(gòu),研究能使裂紋有效偏轉(zhuǎn)的最小R值。采用流延成型工藝和層疊的方法制備多尺度氮化硅結(jié)構(gòu)。研究了分散劑種類、含量、粉體固相含量、粘結(jié)劑與塑化劑的比值對(duì)流延漿料流變性能的影響,制備出厚度100-300微米的薄層氮化硅陶瓷。在流延成型漿料中,添加適當(dāng)?shù)牟牧险{(diào)控多孔陶瓷的模量和微觀形貌。改變燒結(jié)助劑含量、BN含量、β相晶種含量可以分別制備出模量為35-270GPa、82-166GPa、70-174GPa的氮化硅單層。同時(shí)助劑含量會(huì)改變氮化硅的長(zhǎng)徑比,BN會(huì)抑制棒狀晶的生長(zhǎng),而β相晶種則會(huì)促進(jìn)棒狀晶的生長(zhǎng)。研究多尺度結(jié)構(gòu)中微觀模量和形貌的變化對(duì)材料強(qiáng)度和斷裂功的影響。結(jié)果表明,當(dāng)添加BN的多尺度結(jié)構(gòu)氮化硅高低模量之比R等于2.28,添加β相晶種的高低模量之比R等于2.81時(shí),材料在斷裂過(guò)程中開(kāi)始出現(xiàn)明顯的裂紋偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)出現(xiàn)在低模量層內(nèi)或?qū)娱g。由此產(chǎn)生的能量耗散效果,使其比普通結(jié)構(gòu)在相同密度下斷裂功可分別提高40%和90%。低模量層氮化硅長(zhǎng)徑比較大時(shí),斷裂功受氣孔率影響較大,棒狀晶的搭接一定程度上抑制了氣孔率對(duì)材料斷裂性能的影響。相同氣孔率條件下,添加BN的多尺度結(jié)構(gòu)氮化硅的彎曲強(qiáng)度比普通結(jié)構(gòu)高90%以上,添加晶種的多尺度結(jié)構(gòu)則與普通結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度上差異較小。利用殘余強(qiáng)度法考核多尺度結(jié)構(gòu)氮化硅的抗熱震性效果,表明多尺度結(jié)構(gòu)能明顯提高氮化硅材料的抗熱震性,能夠?qū)⒉牧系目篃嵴饻囟忍嵘?00-600℃。利用多尺度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了有效提升氮化硅材料的斷裂功和抗熱震性的目的,具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第一研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ174.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2790424