基于SLS的莫来石纤维增强料的制备工艺及力学性能研究.pdf

哈尔滨理工大学土木水利硕士学位论文

基于SLS的莫来石纤维增强复合材料的制备工艺及性

能研究

摘要

碳化硅（SiC）陶瓷因为其具有耐高温、耐腐蚀、高耐磨性、低热膨胀性和良

好的化学稳定性等诸多优良性能，在近些年来成为了制备催化剂载体、机械零件、

超高速飞行器及建筑等方面的研究热点。然而，随着工程技术的进步，对部件构型

的需求也逐渐增长，从简单结构向复杂化结构发展。然而，SiC陶瓷存在脆性大、

硬度高、抗拉强度低等缺点，导致其加工难度大，主要依靠模具成型，难以制备复

杂结构，严重阻碍了SiC陶瓷材料在实际工程中的应用。选择性激光烧结（Selective

LaserSintering，SLS）的出现，有效的解决了复杂结构的试件成型困难的问题，但

该工艺所生产的陶瓷材料仍存在很多不足之处，例如高孔隙率、低密度，需要后处

理提高其力学性能。本文主要研究内容和结论如下：

（1）采用SiC粉末与不同百分比含量（5%、10%、15%）多晶莫来石纤维混

合的打印粉体，通过SLS选择性激光烧结工艺、纳米氧化铝溶胶浸渗等技术最终

制得致密化的SiC陶瓷基复合材料试件。通过纳米氧化铝溶胶浸渗工艺提高复合

材料坯体的致密度。采用孔隙率及密度测试、扫描电镜（ScanningElectron

Microscope，SEM）、能谱（EnergyDispersiveSpectrometer，EDS）、X射线衍射（X-

raydiffraction，XRD）等材料分析测试方法，对碳化硅粉体和莫来石纤维粉体进行

微观形貌分析，对复合材料在脱脂、溶胶浸渗等工艺阶段的密度、孔隙率、增重率

及微观组织结构演化规律进行研究。

（2）对三种不同百分比纤维含量的试件的密度和孔隙率进行测量，莫来石纤

3

维含量5%的试件密度最大，为2.176g/cm，孔隙率为23.97%。含量为5%、10%、

15%莫来石纤维制备的SiC/AlO复合材料中最终莫来石纤维含量分别为3.34%、

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6.57%、9.79%。

（3）通过万能力学试验机测定复合材料的抗弯性能和断裂韧性，并分析其力

学失效机理。三点弯曲测试的结果显示，不同的莫来石纤维含量试件的断裂方式均

为脆性断裂，其中莫来石纤维含量10%的试件弯曲强度与断裂韧性最大，为

85.58MPa和2.75MPa·m1/2。其在1000℃、1200℃、1400℃条件下弯曲强度和断裂

韧性分别为79.31MPa、72.54MPa、68.78MPa和2.56MPa·m1/2、2.24MPa·m1/2、

1.95MPa·m1/2。

（4）试验制备了三种不同纤维百分比含量的莫来石纤维增强SiC陶瓷基复合

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材料点阵结构，研究了该点阵结构的相对密度及弯曲强度，分析了该点阵结构的失

效模式并对该点阵结构的三点弯曲试验进行了理论计算，最终得出试验值与理论

值的相对误差为31%。

（5）建立了SiC/AlO复合材料点阵结构以及利用Python编写的随机分布纤

23

维有限元模型，对模拟的点阵结构应力最大处与实际试验SiC/AlO复合材料点阵

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结构加载后的断裂位置进行对比分析，模拟结果应力最大处的位置与试验的断裂

处相吻合。

关键词选择性激光烧结；碳化硅；纤维增强；溶胶浸渗；点阵结构；力学性能

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