通過PIP制備聚碳硅烷衍生的3D-SiC支架

撰稿人：李賽、魯中良
撰稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

碳化硅(SiC)具有耐高溫、耐輻照、高硬度、高模量等特性，是一種極具應(yīng)用前景的材料。聚合物衍生陶瓷(PDCs)由于其加工溫度低、形成非晶或納米結(jié)構(gòu)、易設(shè)計性和前驅(qū)體易處理等優(yōu)點而得到了廣泛的研究。直寫打印DIW是一種靈活而強大的方法，能夠通過噴嘴擠出粘彈性油墨來制造廣泛的陶瓷、金屬、聚合物和多種材料。

該研究團隊[1]制備了五種晶須增強的3D-SiC，并將其用作3D-SiC基復(fù)合材料的支架。 這些支架包含SiCp和Ti兩種不同的填充物，互連的孔和CVI層的界面。將鈦粉作為活性填料添加到基于PCS的懸浮液中，以吸收釋放的氣體，并旨在提高陶瓷產(chǎn)量。在1800℃下燒結(jié)3D-PCS的支架，可以在支架內(nèi)部建立相互連接的孔。為了改善3D支架與PIP層之間的接觸面積和界面結(jié)合強度，使用了CVI工藝3D-SiC支架上形成SiC層。最終通過PIP制備了五種類型的3D SiC基復(fù)合材料，并對其微觀結(jié)構(gòu)，組成和力學(xué)性能進行了詳細研究。

圖1 基于PCS懸浮液的3D-SiC基復(fù)合材料制造工藝示意圖

圖2 采用23個PIP循環(huán)制備3D-SiC基復(fù)合材料的SEM圖像

最終結(jié)果表明：（1）Ti活性填料有效地提高了陶瓷的成材率，但由于TiCx和TiaSib形成過程中的體積膨脹，導(dǎo)致3D SiC支架中網(wǎng)狀裂紋的形成。（2）在PIP過程中，3D支架的重量增加分為兩個階段，前10個周期為線性關(guān)系，后10個周期為拋物線關(guān)系。（3）細絲上互連的孔隙或SiCw增加了3D支架與PIP層之間的結(jié)合強度，從而提高了拉伸強度。添加Ti填料的3D sic基復(fù)合材料的抗拉強度最高，為129.7 MPa，這是由于PIP工藝后3D支架和界面得到了強化。

參考文獻：
H. Xiong, L. Zhao, H. Chen, H. Luo, X. Yuan, K. Zhou, D. Zhang, Building SiC-based composites from polycarbosilane-derived 3D-SiC scaffolds via polymer impregnation and pyrolysis (PIP), Journal of the European Ceramic Society, 41 (2021) 1121-1131.