氧化物纤维/SiO2复合材料的近净成型及性能研究

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石英陶瓷和氧化物纤维在航空航天、冶金等领域有广泛应用,但陶瓷的低强度特性严重限制了它们的进一步应用。氧化物纤维/陶瓷复合材料的强度较高,但现有的复合陶瓷成型方法存在组分不均匀、制造周期长、难以成型复杂形状零件等问题。高价反离子直接凝固注模成型(Direct Coagulation Casting via High Valence Counter Ions,DCC-HVCI)和激光选区烧结-真空浸渗(Selective Laser Sintering-Vacuum Impregnation,SLS-VI)在成型高性能复杂形状陶瓷件上有很大的应用前景,且目前用这两种方法成型复杂形状氧化物纤维/陶瓷复合材料的相关报道较少。基于以上现状,本文以SiO2和氧化物纤维中的Al2O3纤维和莫来石纤维作为研究对象,将DCC-HVCI和SLS-VI工艺应用于陶瓷复合材料成型,并结合场发射扫描电镜、X射线分析仪和电子万能材料试验机等表征手段系统地研究了成型试样的微观组织、物相成分及力学性能。结论如下:(1)采用DCC-HVCI方法成功制备了Al2O3(f)/SiO2复合材料。Al2O3(f)/SiO2悬浮液会随着温度的升高快速发生原位固化。一方面通过碘酸钙控制释放Ca2+使浆料中的离子强度增加,压缩陶瓷颗粒的双电层,另一方面使二乙酸甘油酯水解产生乙酸调节浆料的pH使其达到等电点。当pH=11,分散剂四甲基氢氧化铵加入2.5 wt%时,可以在常温下制备固相体积分数为50 vol%,粘度小于1 Pa·s的稳定悬浮液。0-15 wt%Al2O3纤维的加入对浆料的粘度影响不大。在浆料中加入6.5 g/L碘酸钙,1.0 wt%二乙酸甘油酯后,在70℃水浴30 min后浆料会发生原位固化,脱模后得到了形状完整、强度高的陶瓷素坯。由于纤维的断裂和拔出会消耗能量,一定含量的纤维可以显著提高复合材料的强度,在纤维加入量为10 wt%,烧结温度为1350℃时,Al2O3(f)/SiO2复合材料的抗弯强度达到最大值30.3±2.7 MPa。(2)采用SLS-VI方法成功制备了Mullite(f)/SiO2复合材料。在环氧树脂E12的加入量为10 wt%,激光功率7 W,扫描速度2000 mm/s,扫描间距0.13 mm,单层层厚0.13 mm时,可以成型质量良好的莫来石纤维素坯。该素坯经1300℃预烧结后可以成功地将有机物排掉并具有一定的强度。当预烧结后的莫来石纤维坯体在真空条件下放置15 min,由于SLS成型方法的堆积密度较低、预烧结时有机物环氧树脂E12被烧掉留下孔隙及纤维之间有搭接孔,SiO2颗粒可以浸渗入其中。SiO2在1600℃下会形成液相,将莫来石纤维间的缝隙填充和纤维搭接处粘连,使Mullite(f)/SiO2复合材料的抗弯强度提高。随着SiO2浆料固相体积分数的提高,Mullite(f)/SiO2复合材料的抗弯强度先增大后减小,在SiO2浆料固相体积分数为20 vol%时的抗弯强度最高,达到12.2±0.14 MPa。DCC-HVCI和SLS-VI两种近净成型方法可适用于高性能复杂形状氧化物纤维/SiO2复合材料的制备,可以大大缩短成型周期、节约生产成本。因此,这两种成型方法在航空航天等领域具有很大的应用前景,也为其它高性能复杂形状的陶瓷复合材料的制备提供了工艺参考。
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