面向3D打印技术的CNTs/rGO增韧SiC陶瓷基复合材料研究

作     者：陈中华 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘勇

授予年度：2023年

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）] 

主      题：碳化硅陶瓷基复合材料 直写成型3D打印 增强增韧 碳纳米管 石墨烯 

摘      要：反应烧结碳化硅陶瓷(RB-SiC)具有高硬度、耐高温、耐腐蚀和抗氧化等优异性能,作为一种理想的结构材料被广泛应用于车辆机械、生物医药和航空航天等领域,但其脆性大、韧性差等缺陷严重阻碍了碳化硅(SiC)陶瓷的应用;且传统SiC陶瓷的成型方式主要为注模成型,对复杂形状和结构陶瓷的制备能力较低,这同样限制了 SiC陶瓷的应用。因此,本课题分别引入一维的碳纳米管(CNTs)和二维的还原氧化石墨烯(rGO)作为第二相增强增韧体来提高SiC陶瓷的力学性能,制备了 CNTs/rGO增韧SiC陶瓷基复合材料;为了提高SiC陶瓷的成型能力,本课题引入浆料直写成型陶瓷3D打印技术作为复合材料的成型方式。基于以上两方面,本课题探索确定了面向3D打印技术的CNTs/rGO增韧SiC陶瓷基复合材料研究,具体研究内容如下:(1)对SiC陶瓷基复合材料的生坯制备工艺进行研究。为了满足浆料直写的成型需求,对浆料的流变性能进行研究,通过实验制备了以2.5wt%浓度的海藻酸钠溶液为粘结剂、1wt%粉体质量的聚乙二醇400为分散剂、大小颗粒粒径比为7:3的SiC颗粒为原料的具有剪切变稀特性的陶瓷浆料;为了保证打印成型精度,对3D打印成型工艺进行研究,确定以100%的挤出倍率、0.6mm的喷嘴直径、0.24mm的分层厚度、30mm/s的打印速度和80%的填充率为打印参数的3D打印方案。通过上述两方面研究,成功制备了 X、Y和Z方向平均误差均小于0.15mm的陶瓷生坯。(2)对SiC陶瓷基复合材料的烧结工艺和基体性能进行研究。探究生坯的脱胶和烧结工艺,确定以800℃和1600℃为脱胶及烧结温度、4mm硅粒含量为0.95倍的烧结方案;对烧结后的SiC陶瓷进行性能研究与微观分析,讨论不同大小SiC颗粒粒径比对陶瓷性能的影响,当粒径比为7:3时,材料性能最好,抗弯强度达到232.7MPa,断裂韧性达到3.37MPa·m1/2,并分析其显微结构,为后文研究增强体的增韧效果奠定基础。(3)对CNTs和rGO增韧SiC陶瓷基复合材料的效果进行研究。为解决增强体的团聚和高温熔融侵蚀问题,对其分散和包覆工艺进行讨论;将预处理的增强体引入基体,探讨复合材料的物理和力学性能,并通过分析显微结构解释宏观性能表现,结果显示:当CNTs的添加量为3wt%时,复合材料的力学性能最好,抗弯强度达到310.5MPa,较纯SiC基体提升33.4%,断裂韧性达到4.37MPa·m1/2,较纯SiC基体提升30%。当rGO的添加量为5wt%时,复合材料的力学性能最好,抗弯强度达到302.7MPa,较纯SiC基体提升30%,断裂韧性达到4.11MPa·m1/2,较纯SiC基体提升21.9%。其共同增韧机理为增强体在基体中的断裂、拔出、桥接和引导裂纹偏转提升了复合材料的力学性能。