含有石墨烯阵列的SiC基陶瓷材料的制备与力学性能

作     者：孙川 何鹏飞 胡振峰 王荣 邢悦 张志彬 李竞龙 万春磊 梁秀兵 SUN Chuan;HE Pengfei;HU Zhenfeng;WANG Rong;XING Yue;ZHANG Zhibin;LI Jinglong;WAN Chunlei;LIANG Xiubing

作者机构：军事科学院国防科技创新研究院北京100071 清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室北京100084 

出 版 物：《无机材料学报》 (Journal of Inorganic Materials)

年 卷 期：2024年第39卷第3期

页      面：267-273页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

基　　金：国家自然科学基金(51975582) 北京市科技计划课题(Z211100002421003) 

主　　题：碳化硅 石墨烯 微观组织 断裂韧性 陶瓷增韧 

摘      要：碳化硅陶瓷是一种重要工程材料,但具有一定的脆性,这限制了其进一步应用。二维石墨烯具有诸多优良特性,可以作为第二相对碳化硅陶瓷材料进行性能改善。然而石墨烯在陶瓷基体中存在分散性较差等问题,难以发挥其对陶瓷基体的改性作用。为解决以上问题,本工作以陶瓷有机前驱体聚碳硅烷和工业可膨胀石墨为原料,通过前驱体–纳米插层技术制备了少层石墨烯纳米片(GNPs)的体积分数分别为1%、3%和5%的SiC/GNPs陶瓷基复合材料。GNPs在SiC陶瓷基体中呈阵列态平行排布,显示出极高的取向性;随着GNPs含量增加,阵列中GNPs的间距依次递减,表现出一定的微观组织拓扑可调节性;加入GNPs显著提高了SiC陶瓷的断裂韧性,当GNPs含量为3%时,样品的相对密度为98.5%,抗弯强度为445 MPa,断裂韧性达到最高值5.67 MPa·m^(1/2),相比纯SiC陶瓷提高了40%,由GNPs引发的裂纹偏转与桥连是主要的增韧机制。而进一步提高GNPs含量,断裂韧性下降至4.37 MPa·m^(1/2)。这种含有石墨烯阵列的复合材料可以用于新型“结构–功能一体化SiC基陶瓷器件的设计与开发。