论文部分内容阅读
三元层状陶瓷Ti3(Si，Al)C2综合了金属和陶瓷的诸多优点，如低密度、高模量、高强度、良好的导电和导热性、可加工、抗损伤容限好、良好的抗热震性、在1100℃之下抗氧化性能好。近年来，发现其具有优良的耐重离子辐照和熔融铅腐蚀性能。因此，Ti3(Si，Al)C2是一种极具应用前景的第四代核裂变和聚变堆用高温结构材料。然而，面对核能领域对材料性能的苛刻要求，Ti3(Si，Al)C2的脆性大和使用可靠性差的问题严重限制了其进一步应用。为了充分挖掘材料潜力，本论文从改善Ti3(Si，Al)C2陶瓷韧性的角度出发，将SiC纤维和碳纤维分别引入到Ti3Si(Al)C2、Ti3SiC2和Ti3AlC2中，制备了纤维复合Ti3(Si，Al)C2材料，重点研究了纤维与基体间的界面反应行为，并提出了行之有效的解决方法。 利用放电等离子烧结法分别制备了SiC纤维和碳纤维复合Ti3AlC2材料，研究了致密化温度、纤维体积分数、纤维引入形式和分散剂中的氧含量对界面反应的影响。SiC纤维的界面反应随着纤维体积分数的增加有所减弱。以连续形式引入SiC纤维的界面反应明显弱于以短切形式引入的情况。分散剂中的氧对抑制界面反应有利。随着致密化过程的进行，纤维与基体间的元素互扩散触发Al和Ti从基体晶格中大量脱出，最终导致SiC纤维外侧生成TiC致密层，TiC层内侧生成富Al的疏松反应层，Al的存在会导致纤维组分的结晶和长大。纤维中的Si会固溶到基体中，部分Al也会在基体中转化为Al2O3相，剩余的Al和Ti会以高温液相形式被排出样品之外。碳纤维的界面反应产物主要为Al4C3相。 利用放电等离子烧结法分别制备了SiC纤维复合Ti3Si(Al)C2和Ti3SiC2材料。研究了纤维的引入形式、致密化温度、纤维体积分数以及Al的掺杂对界面反应的影响。以短切形式引入SiC纤维的界面反应明显弱于以连续形式引入的情况。界面反应会随致密化温度和纤维体积分数的升高而加剧。Al的掺杂会加剧SiC纤维内的界面反应，但会减弱基体的大量分解。随着致密化过程的进行，纤维与基体之间的元素互扩散触发Si、Ti和少量Al从基体晶格中大量脱出，最终导致SiC纤维内部生成TiC和少量TiSi2，纤维外侧生成致密的SiC层，过量的Ti和Si等会以高温液相形式被排出样品之外，而部分处于纤维之间的Si和Ti会在基体中转化为SiC和TiSi2相。部分脱出的Al会在基体中转化为Al2O3相。 利用CVD方法在SiC纤维和碳纤维表面制备了高质量的SiC/PyC复合界面涂层，利用微波场中SiC纤维与微波之间的耦合作用在SiC纤维表面制备了SiCN陶瓷涂层。上述涂层有利于抑制界面反应，并使纤维与基体之间呈适当弱界面结合。SiC/PyC复合界面涂层的引入使SiC纤维复合Ti3Si(Al)C2材料呈现出典型的非脆性断裂模式，材料的弯曲强度和耐压强度分别可达225 MPa和800MPa。 将少量液态聚硅氮烷引入复合材料中，在SiC纤维与Ti3Si(Al)C2晶粒之间原位制备出由TiC构成的界面反应阻挡层，TiC层的引入能有效抑制纤维与基体之间的元素互扩散。