通过PIP制备聚碳硅烷衍生的3D-SiC支架

撰稿人：李赛、鲁中良
撰稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

碳化硅(SiC)具有耐高温、耐辐照、高硬度、高模量等特性，是一种极具应用前景的材料。聚合物衍生陶瓷(PDCs)由于其加工温度低、形成非晶或纳米结构、易设计性和前驱体易处理等优点而得到了广泛的研究。直写打印DIW是一种灵活而强大的方法，能够通过喷嘴挤出粘弹性油墨来制造广泛的陶瓷、金属、聚合物和多种材料。

该研究团队[1]制备了五种晶须增强的3D-SiC，并将其用作3D-SiC基复合材料的支架。 这些支架包含SiCp和Ti两种不同的填充物，互连的孔和CVI层的界面。将钛粉作为活性填料添加到基于PCS的悬浮液中，以吸收释放的气体，并旨在提高陶瓷产量。在1800℃下烧结3D-PCS的支架，可以在支架内部建立相互连接的孔。为了改善3D支架与PIP层之间的接触面积和界面结合强度，使用了CVI工艺3D-SiC支架上形成SiC层。最终通过PIP制备了五种类型的3D SiC基复合材料，并对其微观结构，组成和力学性能进行了详细研究。

图1 基于PCS悬浮液的3D-SiC基复合材料制造工艺示意图

图2 采用23个PIP循环制备3D-SiC基复合材料的SEM图像

最终结果表明：（1）Ti活性填料有效地提高了陶瓷的成材率，但由于TiCx和TiaSib形成过程中的体积膨胀，导致3D SiC支架中网状裂纹的形成。（2）在PIP过程中，3D支架的重量增加分为两个阶段，前10个周期为线性关系，后10个周期为抛物线关系。（3）细丝上互连的孔隙或SiCw增加了3D支架与PIP层之间的结合强度，从而提高了拉伸强度。添加Ti填料的3D sic基复合材料的抗拉强度最高，为129.7 MPa，这是由于PIP工艺后3D支架和界面得到了强化。

参考文献：
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.