SiC纤维增强RBSN高温吸波陶瓷基复合材料的研究

Microwave absorbing ceramic-matrix composite is widely used in advanced weapons owing to their excellent combined structural and functional properties. In this project, the SiC preform is used as the reinforcement and microwave absorbing agent and the RBSN is used as the microwave transmitting and impedance matching matrix. The SiC/RBSN composite is fabricated by reactive sintering, using the in-situ formed BN to adjust the interface properties between the fibers and the matrix. The preliminary tests show that this composite has excellent mechanical and dielectric performance, suitable to be used as high temperature microwave absorbing composite. The microwave absorbing performance of a material depends on the two factors: the microwave absorbing ability and the microwave reflecting ability (impedance matching). In this project, SiC fibers with different resistivity are stacked in a certain order to form the SiC fiber preform, and then the SiC fiber preform is impregnated with Si and B powders slurry to produce the composite preform. Finally, the composite preform is nitridated to obtain the SiC/RBSN composite. The objectives of this project is to solve the following scientific problems: (1) the effect of the preform design on the microwave absorbing performance of the composite; (2) the effect of B on the nitridation of the matrix; (3) the effect of B on the interfacial properties between SiC fibers and the matrix.

吸波陶瓷基复合材料是国家急需的耐高温结构/功能一体化隐身材料。本项目采用碳化硅纤维预制体作为吸波剂和增强体，采用反应烧结的氮化硅（RBSN）作为透波和阻抗匹配基体，在基体中原位引入BN调节纤维和基体之间的界面性能，通过反应烧结法制备SiC/RBSN复合材料。初步测试表明，该复合材料具有优异的力学和介电性能，可用作耐高温吸波复合材料。材料的吸波性能取决于吸波剂的吸波性能（吸波特性）以及空气与材料界面之间的电磁波反射性能（阻抗匹配特性）。本研究将利用厦门大学自主研发的不同电阻率SiC纤维按照一定规律叠层，制成纤维预制体，然后与硅粉、硼粉制成复合材料坯体，最后通过高温氮化制成SiC/RBSN复合材料。主要解决以下科学问题：（1）SiC纤维预制体的设计对复合材料吸波性能的影响规律；（2）硼对复合材料基体氮化性能的影响规律；（3）硼对纤维和基体界面性能的影响规律，以及对复合材料断裂行为的影响规律。

吸波陶瓷基复合材料是目前国家急需的先进耐高温结构/功能一体化隐身材料，对提高先进武器的突防能力具有重要的意义。本项目采用碳化硅纤维作为吸波剂和增强体，采用反应烧结的氮化硅（RBSN）作为透波和阻抗匹配基体，在基体中原位引入氮化硼（BN）调节纤维和基体之间的界面性能，通过反应烧结法制备SiC/RBSN复合材料。通常制备SiC纤维增强氮化硅基体复合材料时，为了防止强界面结合，一般需要在纤维表面镀BN。在纤维表面制备BN层，工艺复杂，而直接在基体中添加BN粉末容易造成团聚且很难烧结致密。因此本项目采用Si粉在氮气中氮化制备Si3N4基体，首次在基体中加入硼（B）粉，通过B原位氮化引进BN，主要研究了：1）催化剂二氧化锆（ZrO2）对复合材料基体氮化性能的影响规律；2）B对复合材料基体氮化性能的影响规律；3）B对纤维和基体界面性能的影响规律；4）B对复合材料力学性能及介电性能的影响规律。研究结果表明：1）催化剂ZrO2的加入可以降低氮化温度，显著提高氮化效率；2）B粉可原位氮化生成BN，随着基体中B含量的增加，基体的介电常数及介质损耗角正切下降，当基体中B粉含量达到10wt%时，ε’在3.4 - 3.8之间，tanδ在3.6×10-3 - 1.6×10-2之间，表明基体具有良好的透波特性；3）未添加B的复合材料呈脆性断裂，为强界面结合，而添加B后，复合材料断面明显观察到纤维拔出和脱粘现象，呈假塑性断裂行为，充分说明B的加入改善了纤维和基体的界面，使之表现为弱界面结合；4）采用含B基体制备的复合材料具有良好的介电性能，可用作耐高温吸波复合材料。此外，原位引进BN显著简化了复合材料制备工艺，降低了制造成本。该项目的研究结果为研发具有我国自主知识产权的耐高温吸波/结构一体化隐身材料提供了理论基础与技术支持。