凝膠注模成型—氣相滲硅燒結(jié)制備碳化硅基涂層技術(shù)研究

1、凝膠注模成型氣相滲硅燒結(jié)制備碳化硅基涂層技術(shù)研究本文以C/SiC反射鏡的應(yīng)用為背景,研究SiC基光學(xué)涂層制備的新方法。針 對(duì)現(xiàn)有涂層工藝不能同時(shí)兼顧均勻性、厚度和高拋光度的要求 , 將凝膠注模成型 工藝(GC)創(chuàng)造性的引入到SiC基涂層制備中來(lái),結(jié)合氣相滲硅燒結(jié)(GSI),進(jìn)行涂 層制備研究。解決了含炭黑凝膠反應(yīng)的控制問(wèn)題 , 并將新方法成功的應(yīng)用到涂層、 本體陶瓷、 C/SiC 轉(zhuǎn)化連接等工藝中。研究了不同變量對(duì)凝膠注模-氣相滲硅過(guò)程(GC-GSI)的影響,得到了優(yōu)化后 的工藝配比 , 并成功制備出了 Si/SiC 涂覆的 C/SiC 反射鏡模擬件。 研究了炭黑對(duì) 凝膠反應(yīng)的影響并進(jìn)行了凝膠

2、工藝優(yōu)化。 炭黑對(duì)傳統(tǒng)引發(fā)劑自由基有著捕獲和加 速的雙重影響，一度限制了其在制備SiC基材料中的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)利用新型引發(fā)劑AIBA被捕獲作用弱和對(duì)反應(yīng)無(wú)加速的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了 含炭黑的可控凝膠反應(yīng)。當(dāng)引發(fā)劑用量為20卩l(xiāng)/g漿料、反應(yīng)溫度為70C、反應(yīng)時(shí)間為50min時(shí),聚合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率達(dá)到了 98.77%。初步探究了 GSI機(jī)理、研 究了硅用量對(duì) SiC 基材料性能的影響。GSI過(guò)程可分為兩步，第一步是氣相Si被炭黑吸附，在原位a -SiC表面形成 B -SiC層;第二步是在B -SiC層達(dá)到一定厚度時(shí)，通過(guò)C遷移到B -SiC層表面與 Si反應(yīng)，生成小于0.5卩m的B -SiC晶粒。硅用量較低

3、時(shí),試樣不能被完全滲透； 硅用量較高時(shí)又會(huì)殘余較多的硅 , 而硅聚集將造成體積膨脹。涂層制備中硅用量 選擇為 0.8 倍素坯質(zhì)量。研究了 GSI 一步法和兩步法制備的涂層與 C/SiC 基體的結(jié)合性能。 一步法是 在C/C表面制備凝膠預(yù)涂層,經(jīng)歷了一次GSI過(guò)程；兩步法是指在GSI-C/SiC表面 制備預(yù)涂層，經(jīng)歷了兩次GSI過(guò)程。兩種方法制得的涂層與基體剪切強(qiáng)度均大于20MPa表現(xiàn)出很好的結(jié)合性能。區(qū)別是一步法涂層與基體相互咬合 , 在中等尺寸反射鏡制備中即發(fā)現(xiàn)涂層開 裂; 兩步法涂層與基體相互作用效應(yīng)小 , 適合制備大尺寸反射鏡。 兩種方法同時(shí)可 以推廣到C/SiC轉(zhuǎn)化連接技術(shù)中。研究了單

4、體（AM）含量對(duì)GC-GSI過(guò)程的影響。AM含量較低時(shí)，不能形成完整的凝膠網(wǎng)絡(luò)，素坯缺陷多，抗收縮和載荷的能 力差; 素坯缺陷不能被彌補(bǔ)且會(huì)被硅大量填充 , 材料的密度低、力學(xué)性能差。 AM 含量過(guò)高時(shí) , 會(huì)引發(fā)漿料粘度的急劇增加。綜合考慮 ,單體含量選擇在水用量的 25wt.%。研究了 a -SiC顆粒級(jí)配對(duì)GC-GSI過(guò)程的影響。當(dāng)pH=911時(shí)漿料Zeta電 位約-65mV,顆粒穩(wěn)定分散,對(duì)應(yīng)TMAH用量為0.60.7wt.%。當(dāng)F240/F1200=1.5 時(shí),大顆粒緊密堆積、小顆粒均勻填隙 , 漿料粘度最小 , 素坯最為均勻 , 滲硅后材料 殘余硅含量最低 , 僅為 10.75vo

5、l.%, 力學(xué)性能也最高 , 達(dá)到了 234MPa。研究了固含量對(duì)GC-GSI過(guò)程的影響。固含量較低時(shí)素坯收縮大，密度及機(jī)械 強(qiáng)度較低 ,影響滲硅后 Si/SiC 材料的密度、成分組成;當(dāng)固含量過(guò)高時(shí) ,漿料粘度 急劇增加,帶來(lái)局部顆粒分布不均、 氣泡難以除盡、不能均勻鋪展等問(wèn)題 , 不利于 材料綜合性能的提高。制備涂層過(guò)程中固含量選擇為 60vol.%。研究了炭黑含量對(duì)GC-GSI過(guò)程的影響。分散劑PVPK30用量為炭黑的5wt.% 時(shí)分散效果最好。隨著炭黑含量增加 , 漿料粘度增加 , 素坯收縮變小 , 密度提高。通過(guò)調(diào)整素坯成分可以影響 Si/SiC 材料的組成 ,炭黑含量越高 , 素坯的密度 與理論值越接近,Si/SiC材料的密度和SiC含量越高；連續(xù)相B -SiC含量提高， 抵抗裂紋擴(kuò)展能力變強(qiáng) , 抗彎和抗熱震的能力提高。考慮到漿料均勻鋪展和與基 體的熱匹配,涂層制備中炭黑含量為1