编号：FTJS107405
篇名： 粘结剂喷射制备短纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究
作者： 胡时东
关键词： 增材制造; 粘结剂喷射; 碳化硅陶瓷基复合材料; 碳化硅晶须; 短切碳纤维; 力学性能;
机构：华中科技大学
摘要： 碳化硅陶瓷因具有低密度、高比强度和热稳定性好等优势而广泛应用于航空航天、核能发电和军事工业等重要领域,但其较大的脆性限制了其作为高温结构件的使用。在碳化硅基体中引入纤维、晶须等增强相是提高其综合力学性能的有效手段。本文结合粘结剂喷射（Binder jetting,BJ）技术和液硅反应熔渗烧结工艺,研究制备碳化硅晶须（Silicon carbide whisker,SiCw）增强碳化硅基复合材料（SiCw/SiC）和碳纤维（Carbon fiber,C_f）增强碳化硅基复合材料（C_f/SiC）。主要研究工作如下: （1）制备了SiCw/SiC复合材料。使用聚乙烯吡咯烷酮和气相二氧化硅作为碳化硅晶须分散剂,经湿法球磨和分散处理后,SiCw/SiC复合粉末分散均匀且流动性和堆积密度显著提升。由于晶须间的“架桥”效应,导致高晶须含量初坯的致密度低于无晶须初坯件指标。SiCw/SiC复合材料试样的弯曲强度、断裂韧性和硬度最大值达215.29 MPa、3.25 MPa·m1/2和23.06 GPa,较无晶须试样分别提升27.1%、14%和18.3%。 （2）研究了铺粉工艺参数对C_f/SiC初坯的影响规律。经3小时和180 rpm速度球磨后,碳纤维粉末的中值长度降到65.89μm,与碳化硅颗粒中值粒径相当。结合离散元仿真发现,降低铺粉层厚、铺粉速度和铺粉辊转速可提高碳纤维初坯的致密度,并有利于碳纤维沿铺粉方向取向分布。碳纤维的引入降低了C_f/SiC复合粉末的流动性与堆积密度,使C_f/SiC初坯的致密度和弯曲强度较无纤维组最大分别下降27.1%和68.2%,但初坯上表面和侧表面表面粗糙度Ra分别提高29.7%和27.2%。 （3）研究了后处理工艺对C_f/SiC组织和性能的影响。对C_f/SiC初坯进行两轮酚醛树脂浸渗与热解处理,碳纤维表层覆盖了足量的热解碳使其在反应烧结过程中避免了与熔融硅发生反应。C_f/SiC复合材料的最大弯曲强度、断裂韧性分别达到316MPa、4.81 MPa·m1/2,较无碳纤维试样分别提高50.22%和48.45%。但硬度和室温导热系数分别由22.06 GPa下降至18.24 Gpa,140 W/m·K下降至72 W/m·K。