摘要
碳化硅（SiC）陶瓷因其优异的高温力学性能、低密度、耐腐蚀、抗氧化和低中子截面等特性，常被用作高温结构陶瓷材料。目前SiC陶瓷已广泛应用于军事、核能和航空航天等领域。然而SiC是一种强共价键化合物，内部共价键占比高达88%，自扩散系数低，即使在高温高压下都极难使其致密化。对于制备大型复杂的SiC陶瓷构件是一个巨大的挑战，限制了SiC在诸多领域的应用。因此，探索一种可靠的SiC连接技术是扩大其应用的关键问题。针对目前的连接技术，受限于连接材料与基体的润湿性和连接材料的耐高温性能，使得接头耐高温性能差。本研究基于硅化物和第二相的反应在连接层中低温原位合成超高温陶瓷相，以提高接头的耐高温性能。具体研究内容如下： （1）以二硅化锆（ZrSi2）-SiC为连接材料，首先研究了SiC颗粒（SiCp）含量对SiC接头的物相组成、微观结构和剪切强度的影响。研究表明，向连接层中引入SiCp能够减小连接层与基体之间的热膨胀系数差异，同时，SiCp作为增强相改善了接头的性能。当连接材料中引入10wt.%SiCp时，在1500℃、保温10min、真空和施加30MPa的连接条件下，接头获得最大剪切强度为116.7±6.7MPa。继续增大引入的SiCp含量时，接头的剪切强度开始下降。引入过量的SiCp影响接头连接层的致密化。以ZrSi2-10wt.%SiCp为连接材料，进一步研究了连接温度和气氛对接头性能的影响。接头在真空中连接时，随着连接温度的升高，接头剪切强度逐渐增大。接头在1600℃、真空中连接时，连接层中检测到超高温相碳化锆（ZrC）。相比在真空下连接，以氮气（N2）作为保护气氛，接头展示出更优异的力学性能，在1600℃连接时接头的剪切强度可达173.4±11.4MPa。根据XRD结果，ZrSi2在N2中转变为Si3N4和ZrN。 （2）以ZrSi2-石墨（C）作为连接材料，通过ZrSi2和C的原位反应生成SiC和ZrC，向连接层中引入超高温相。首先研究了C含量对SiC接头的物相组成、微观结构、反应机理和剪切强度的影响。结果表明，当ZrSi2与C的摩尔比为1：2时，在1450℃、保温10min、真空和30MPa压力下连接，获得最佳的剪切强度为178.2±8.6MPa。基于连接材料ZrSi2与C的摩尔比为1：3，研究连接温度对接头性能的影响，随着连接温度的升高，接头剪切强度逐渐增大，在1650℃连接时获得最大剪切强度为93.5±6.5MPa。 （3）以二硅化钛（TiSi2）、ZrSi2、二硅化钼（MoSi2）、二硅化铌（NbSi2）和二硅化钨（WSi2）五种等摩尔比硅化物粉体作为连接材料，首先研究了连接温度对接头物相组成、微观结构、反应机理和剪切强度的影响。结果表明，高温下五种硅化物合成了高熵陶瓷相。随着连接温度的升高，在1550℃、保温10min、真空和30MPa的压力下连接，获得最大剪切强度为81.1±7.5MPa。基于五种硅化物粉体作为连接材料，研究了N2气氛对接头性能的影响。随着连接温度的升高，接头的剪切强度增大，在1550℃连接时获得最大剪切强度为152.1±11.3MPa。通过五种硅化物粉体和石墨原位反应生成相应的碳化物相和SiC，提高了接头的耐高温性能和力学性能。
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