活性填料在SiCf/SiC材料中的物理化学行为及界面控制研究

SiCf/SiC复合材料已经成为了航空航天领域备受关注的新一代轻质耐高温材料体系。由于前驱体浸渍裂解工艺在热解过程中基体产生较大的体积收缩，容易产生大量的微裂纹且内部结合强度较低。本项目的研究思路是通过在前驱体浸渍过程中引入活性填料，在裂解过程中活性颗粒将发生碳化、硅化、氮化等化学反应，在复合材料内部原位生成耐温性较好的体积膨胀物相，减小基体体积收缩、提高基体结合强度，从微观结构上减少材料内部的微裂纹、气孔等缺陷，有利于SiCf/SiC复合材料性能的改善。探讨在复合材料内部通过原位反应形成新的体积膨胀物相从而实现微观结构设计的可行性，揭示活性填料在SiC/SiC复合材料内部热解过程中的化学反应机制，阐明化学反应过程对界面层的侵蚀规律，提出合理的界面控制途径。该思路提出了SiCf/SiC复合材料微观结构设计的新思路，为SiC/SiC复合材料在空间领域的应用开展基础性研究工作。

由于高性能SiC纤维作为增强相的存在，SiCf/SiC陶瓷基复合材料克服了单体SiC陶瓷的脆性断裂特性，裂纹扩展敏感性显著降低，在恶劣工况下的使用可靠性得到了大幅度的提高，同时这种材料具有低密度、低热膨胀系数、耐腐蚀、耐高温等优异性能，在航空航天、核能源等领域有着非常重要的应用前景。有机前驱体浸渍裂解工艺是制备SiCf/SiC复合材料的常用工艺之一，该工艺在制备大尺寸、复杂形状构件具有独特的优势，但是在有机陶瓷前驱体转化为陶瓷基体的过程中存在陶瓷产率低、制备周期长以及基体强度低等问题。. 针对这一问题，本项目通过研究SiCf/SiC复合材料制备过程中活性填料在基体中的添加来提高有机陶瓷前驱体的产率、降低陶瓷化过程的体积收缩、改善基体的显微结构和力学性能，并研究在基体转化过程中化学反应过程对增强纤维以及界面层的影响。研究结果表明：以六甲基二硅氨烷作为前驱体在氢气催化作用下可以在SiC纤维表面沉积厚度可控的表面防腐蚀SiCN涂层，1100℃时在SiCN涂层中开始有晶相析出。PyC/SiCN复合界面层能够有效防止SiC纤维与活性组分之间的化学反应，改善SiCf/SiC复合材料的力学性能。SiCN涂层的厚度对复合材料的性能产生重要的影响，SiCN涂层厚度为200nm时，SiC纤维容易在高温反应中被活性颗粒侵蚀，涂层起不到对SiC纤维的保护作用，材料的力学性能较差，当涂层厚度达到微米级时可以有效的防止纤维的侵蚀，SiCf/SiC复合材料表现出最优的力学性能。活性填料在陶瓷前驱体热解转化为陶瓷基体过程中，显著提高了陶瓷转化效率，提高了基体的结合强度，使SiCf/SiC复合材料的性能得到了一定程度的提高，SiCf/SiC复合材料的弯曲强度从395MPa提高到545MPa。. 本项目的研究结果为SiCf/SiC复合材料界面结构优化和致密化新工艺提供了思路，取得了理想的实验结果，建立SiCf/SiC复合材料微观结构和性能设计新方法。项目执行期间已经发表论文6篇，其中SCI收录论文4篇，ISTP收录1篇，申请专利2项，已毕业硕士研究生一名，在读硕士研究生一名。