許 珊,胥文婷,張 婷(成都醫(yī)學院 .人文信息管理學院;.物理教研室,成都 610083)
Si3N4基復合材料的研究與應用進展
許 珊a,胥文婷a,張 婷b
(成都醫(yī)學院 a.人文信息管理學院;b.物理教研室,成都 610083)
評述了Si3N4基復合材料的研究與應用進展,其中重點介紹了Si3N4基復合材料的制備工藝和力學性能;同時分析了我國在該領域的研究現(xiàn)狀,并提出了今后的發(fā)展前景。
氮化硅基復合材料;制備工藝;力學性能
目前,Si3N4材料是國內(nèi)外最具發(fā)展前途的材料之一,與同類材料相比其力學性能具有很大的優(yōu)勢,并且有著優(yōu)異的高溫熱穩(wěn)定性、良好的抗腐蝕性和耐腐蝕性能。但在一般的情況下,單純的Si3N4材料的優(yōu)良性能并不是特別的顯著,仍存在機械強度偏低、易吸水、抗雨蝕性較差[1-2]等缺陷。當Si3N4與其他材料復合使用后,不僅能保持自身的優(yōu)點性能,而且還可以具備與其復合的材料的基本性能。因此,Si3N4基復合材料已經(jīng)成為熱點研究之一。
據(jù)報道,在美國、法國等西方國家在很早之前就已經(jīng)采用BN/Si3N4復合材料制備出了高馬赫導彈天線罩,并已達到實用化的階段。比如,Paquette[3]將多種材料和氧化物燒結(jié)助劑的混合粉等進行熱等靜壓燒結(jié),制備了BN/Si3N4復合材料天線罩。但目前還沒有BN/Si3N4復合材料天線罩實例的技術(shù)研究報道。從20世紀80年代末開始,一些歐洲國家也已經(jīng)在研制C/SiC、SiC/SiC陶瓷基復合材料,并且取得了成功。主要應用在航空技術(shù)方面,屬于融化型材料[4]。美國、歐洲以及日本也曾采用C/SiC陶瓷基復合材料研制出了火箭發(fā)動機推力室,并在高溫下通過了考核,取得了成功。美國的X系列航天實驗驗證機的鼻錐和機翼前緣也采用C/SiC復合材料。在中國,Si3N4基陶瓷材料作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料,常用其制造軸承、汽輪機葉片、機械密封環(huán)、永久性磨具等機械結(jié)構(gòu)。中國已研制出利用這種材料制備的發(fā)動機部件的受熱面,不僅可以提高柴油機質(zhì)量,節(jié)省燃料,而且可以提高熱效率。但是由于我國對于氮化硅基復合材料的研究起步較晚,目前尚處于摸索階段,許多研究單位及學者多把研究重點放在軍工領域。
本文從Si3N4基復合材料出發(fā),梳理了Si3N4氮化硅基復合材料制備工藝和力學性能的研究現(xiàn)狀,并對其未來的發(fā)展趨勢進行了展望。
1.1 制備工藝
從20世紀70年代末開始,我國就在透波材料領域開展了研究工作,而且材料體系涉及微晶玻璃、石英陶瓷、纖維增強Sio2、BN、和Si3N4基陶瓷復合材料[5]等無機透波材料,而且此項技術(shù)在超音速防空導彈天線罩上得到了應用[6]。迄今為止,國內(nèi)對BN/Si3N4復合材料已進行了大量的研究,通過不同的燒結(jié)工藝可以得到不同的力學性能的復合材料。比如,王思青等[7]采用反應燒結(jié)法制備了 Si3N4基復相陶瓷材料,當原料的各個成分不同的時候,制備的復合材料彎曲強度和斷裂韌性都是不一樣的。在采用反應燒結(jié)法時,彎曲強度可達96.7 MPa。張強等[8]采用燃燒合成氣固反應法,其彎曲強度可以達到122 MPa。李永利等[9]采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)在較低溫度下制備的BN/Si3N4基復合材料,當BN的體積份數(shù)達到30%時彎曲強度接近900 MPa。
通常采用2種不同的制備方法來得到不同氣孔率的試樣,氣孔可以看作是低介電常數(shù)相分散于高介電常數(shù)基質(zhì)中。當添加成孔劑時,燒結(jié)體的氣孔率的含量隨著添加的成孔劑的含量增加而降低,自然其體積密度也隨之減少;當使用冰凍干燥法制備的Si3N4多孔陶瓷時,由于冰在低壓下直接升華并導致氣孔的生成,氣孔率則由初始漿液的濃度決定。隨著試樣中氣孔率的增加,介電常數(shù)和介電損耗都明顯降低。氣孔率也是影響氮化硅基復合材料性能的因素之一,最主要的是影響它的介電性能。
另一方面,由于氮化硅為高耐熱陶瓷材料,其分解溫度很高。在常態(tài)下,1 900 ℃才開始分解,將其加入其他材料制成復合材料后可提高復合材料的熱穩(wěn)定性。Si3N4基復合陶瓷材料在高溫和常溫下都具有良好的力學性能、熱穩(wěn)定性、低介電常數(shù)和高耐沖蝕性能,是一種綜合性能優(yōu)良的材料[10-11]。尤其是以高溫天線罩和天線窗為應用背景的氮化硅基復合陶瓷已受到廣泛關(guān)注[12]。玻璃化轉(zhuǎn)化溫度Tg是衡量使用熱穩(wěn)定性的一個標尺,隨著復合材料中氮化硅的含量增加陶瓷的玻璃化溫度相應增加。當把氮化硅加入某一種材料中時,氮化硅分子位于基體材料分子的空隙當中,由于兩種的相互作用,而且氮化硅有很高的導熱性和河大的顆粒比熱容,使得在同等條件下復合材料能夠吸收更多的熱量。當兩種材料相互作用時,會產(chǎn)生某種交聯(lián)。隨著填充材料的增加,空隙減少,密度增大,交聯(lián)增加,分子間作用力增強,從而提高熱穩(wěn)定性。Zhou等[13]用質(zhì)量比為65∶35的聚乙烯、PE-LLD混合制備高分子合金,再用處理的nano-Si3N4改性,制備復合材料。An等[14]將5%~45% nano- Si3N4與線性酚醛固化樹脂機械攪拌后,在190 ℃和10 MPa下熱壓制得納米復合材料;Zhang等[15]將不同含量的含nano- Si3N4混合粒子與EP混合,并用三輥研磨機研磨,制得高含量納米復合材料;Tang等[16]將不同含量的經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑表面改性β-nano-Si3N4與EP共混制得納米復合材料;He[17]等將5%~45%nano- Si3N4與線性酚醛固化樹脂機械攪拌后,在180 ℃和30 MPa下熱壓制得納米復合材料;Han[18]等將不同質(zhì)量分數(shù),尺寸從微米到納米的氮化硼、氧化鋁、金剛石、氮化硅、nano-Si3N4分別與低分子量雙酚A縮水甘油醚混合并超聲攪拌制得納米材料; Zeng等[19]在共混攪拌的條件下,制備不同含量的雙馬來酰亞胺三嗪樹脂(BT)/nano-Si3N4復合材料。
1.2 力學性能
單氮化硅在高溫和常溫下都具有良好的力學性能,同時還具有良好的熱穩(wěn)定性、高的耐沖蝕性能,但介電常數(shù)偏高,力學性能較差。這時在某些方面就不能滿足要求或者可以得到力學性能更加優(yōu)異的材料,就需要制備氮化硅基復合材料來達到性能要求。例如:徐明等[20]利用熱壓真空燒結(jié)工藝制備碳納米管/氮化硅陶瓷材料,并且得到在碳納米管含量為1wt%時,復合材料具有最佳的硬度、抗彎曲度和斷裂韌性,這三者均存在先增大后減小的規(guī)則。除此以外,燒結(jié)溫度也對復合材料的力學性能有一定的影響。根據(jù)Griffith斷裂理論[21],材料的斷裂強度與缺陷尺寸的關(guān)系取決于試樣和缺陷的幾何形狀。也體現(xiàn)出當彈性模量和斷裂性能一定時,缺陷尺寸越大,斷裂強度越小的規(guī)律。碳納米管/氮化硅陶瓷材料在利用燒結(jié)方式得到時,氮化硅陶瓷復合材料的氣孔被碳納米管充分地填充,使得其中的缺陷成分c減小,結(jié)構(gòu)趨于緊密,抗彎強度大幅度提高。
除此之外,SEM研究表明納米碳管很好的分散在氮化硅集體中,納米碳管于氮化硅共混后的材料力學強度與導電性能明顯增強。眾多學者分別使用不同的方法對氮化硅基復合材料進行了研究。李明博等[22]將nano-Si3N4填充到雙馬來酰亞胺(BMI)/氰酸樹脂(CE)中制備出復合材料;顧紅艷等[23]等采用壓成型法制備含nano-Si3N4的混合填料填充的聚四氟乙烯(PTFE)復合材料;郝文濤等[24]研究了納米氮化硅粒子對其填充的聚丙烯(PP)力學性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),納米氮化硅/PP復合材料的力學性能表現(xiàn)出了許多與常規(guī)納米粒子改性PP的不同之處,復合材料的拉伸強度隨納米氮化硅粒子含量增加而基本呈直線上升趨勢,而沖擊強度變化不大,納米氮化硅粒子對PP并無明顯增韌效果,少量(5%)納米氮化硅粒子便能顯著提高復合材料彎曲強度,在他們研究下的力學性能均有很大程度的提升。R.Voo等將0~2%nano-Si3N4與雙酚A型EP混合并超聲攪拌,后加入固化劑,制得納米復合材料薄膜;徐明等[25]以Si3N4-Al2O3-Y2O3-Mgo為原料,碳納米管為增韌材料,采用熱壓真空燒結(jié)工藝制備了氮化硅陶瓷的復合材料。結(jié)果表明:不同的碳納米管含量對氮化硅陶瓷復合材料的顯微組織影響顯著。當碳納米管含量為1 wt%時,可制備出致密度高、顆粒均勻的氮化硅復合陶瓷材料。復合材料的力學性能又和顯微組織密切相關(guān);當碳納米管含量為1 wt%時,其硬度為14 GPa、抗彎強度為850 MPa,顯示出較好的力學性能。吉小利等[26]以納米氮化硅從為填料制備了環(huán)氧樹脂/納米氮化硅復合材料,通過透射電鏡觀察到,納米粒子在有機基體中分散均勻,研究了納米氮化硅對復合材料性能的影響。結(jié)果表明,添加納米氮化硅使復合材料的力學性能增加,當改性環(huán)氧樹脂/納米氮化硅為100/3(質(zhì)量比)時,復合材料的拉伸強度彎曲強度沖擊強度提高幅度最大,分別提高了145%、241%、255%。
近年來氮化硅基透波纖維和氮化硅基透波復合材料的研究前景都非常的不錯。雖然說目前氮化硅基體的復合材料還處在研究的階段,也許仍然有許多的關(guān)鍵問題沒有被解決,然而這種復合材料體系綜合性能的優(yōu)異已引起了各國航天領域?qū)<以絹碓蕉嗟年P(guān)注。例如,氮化硅材料介電常數(shù)偏大(一般為5~8),作為高性能透波材料應用需對其進行改進;氮化硅基復合材料硬度大,采用一般的燒結(jié)方法較難成型復雜構(gòu)件,且機械加工困難;氮化硅連續(xù)纖維的性能不穩(wěn)定,且雜質(zhì)含量較高;先驅(qū)體浸漬裂解法制備氮化硅基復合材料有很大優(yōu)勢,但氮化硅先驅(qū)體活性很大,合成困難,成本高,其分離和純化也是一個關(guān)鍵問題。在未來的前景中,氮化硅基體復合材料的研究方向主要集中在發(fā)展性能穩(wěn)定可靠的連續(xù)氮化硅纖維以及研究新的氮化硅基透波復合材料低成本制備和成型加工工藝兩個方面。
氮化硅基復合材料在今后的發(fā)展應盡可能的在保持自身的優(yōu)越特性下,后面在利用其他一些工藝來增強其性能,同時改進生產(chǎn)工藝,探索更加簡單的制備方案,促進工業(yè)化生產(chǎn),尋找新的低成本、容易操作的合成途徑,使聚合物制品及應用到更多更新的領域。特別是在1 900 ℃下的強度和斷裂韌性還不能讓人滿意;以及怎樣在高溫、高速、強腐蝕介質(zhì)的工作環(huán)境下更加充分的利用其優(yōu)勢。開發(fā)一些新的助溶劑,研究和控制現(xiàn)有的助熔劑的最佳成分。再加上胭脂氮化硅和更多材料的復合化,以便于制取更多高性能的復合材料。研究氮化硅基復合材料在航天行業(yè)的應用,最終使其性能能夠得到最大的利用。
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數(shù)值范圍可以用一字線連接嗎?
問:數(shù)值范圍可以用一字線連接嗎?
但是,連接具有起點和終點的時間間隔屬于例外,因為這里的年份、月份、日不是一般意義上的數(shù)值,不應采用浪紋線。依據(jù)GB/T 8407—2005和GB/T 15834—2011, 時間間隔應采用斜杠或一字線連接,例如“自2001年至2012年”,應寫為“2001/2012”或“2001—2012”。同樣,“自2012年6月1日至10日”應寫為“2012-06-01—10”或“2012-06-01/10”。
——摘自http://zhaodal.blog.163.com
Research and Application Progress of Si3N4Matrix Composites
XUShana,XUWentinga,ZHANGTingb
(a.Humanities College of Information Management;b.Physics Teaching and Research Section,Chengdu Medical College, Chengdu 610083,China)
The progress of research and application of silicon nitride matrix composites and the research progress of silicon nitride based composites at home and abroad nowadays. The authors review the preparation process and mechanical properties of silicon nitride based composites,analyze the present research situation of our country in this field and propose the development prospects .
Silicon nitride matrix composite; preparation technology; mechanical property
10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.01.007
2017-02-17
四川省教育廳基金(13ZB0092)
許珊(1996—),女,本科在讀,研究方向:生物材料。 通信作者簡介:張婷(1979—),女,副教授,博士,研究方向:醫(yī)學物理教學,電子郵箱:fly-rain68@126.com。
TJ760
A
2095-5383(2017)01-0027-04