Development of Si-O-C based ceramic matrix composites produced via pyrolysis of a polysiloxane

Abstract

oz Sıcak preseme gibi seramik matriks kompozitlerin (CMC) geleneksel üretim yöntemleri, yüksek sıcaklık gerektiren yüksek maliyetli yöntemlerdir ve kompleks ve son net şekle benzer yapıların üretimi için uygun değillerdir. CMClerin önseramik polimerlerin pirolitik dönüşümü ile üretimleri, son zamanlarda, düşük sıcaklık, çok yönlü plastik şekillendirme yöntemlerinin uygulanabilirliği ve mikroyapısal kontrol kolaylığı gibi özgün kombinasyonlarına bağlı olarak artan bir önem kazanmıştır. Bu çalışmada, fenil (PPS) ve metil (PMS) ihtiva eden polisiloksanlar polimerlerin ısıl dönüşümleri ve faz oluşumlarının incelenmesi için dolgu malzemesi ilave edilmeden, artan piroliz sıcaklıklarında (900-1 500°C) ve argon atmosferinde üretilmiştir. Bu amaç için X-ışınları kırınımı (XRD) ve kızılötesi spektroskopisi (FTIR) yöntemleri kullanılmıştır. Bunun sonucunda, inert atmosferde 1300°C'ye kadar gerçekleşen pirolizin amorf silikon oksikarbür (SiOxCy) seramiklerine yol açtığı gözlenmiştir. Daha yüksek sıcaklıklardaki dönüşüm p-SiC kristallerinin oluşumuna sebep olmuştur. Piroliz öncesi ve sonrası kütlelerin ölçülmesi ile % ağırlık değişimleri takip edilmiştir. CMC kompozitler ağırlıkça % 60-80 arasında değişen aktif ve inert dolgular ilave edilerek 1 5 MPa basınçta sıcak preslemeyle üretilmiş ve inert argon ve reaktif azot atmosferinde 900-1 500°C arasındaki sıcaklıklarda piroliz edilmişlerdir. Dolgu tipi ve oranının, piroliz sıcaklığı ve atmosferin faz oluşumlarına etkileri XRD, SEM-EDX ve TGA yöntemleriyle incelenmiştir. Sonuçlar göstermiştir ki, Ti gibi aktif bir dolgu maddesinin kullanılması sonucu bunun polimerin bozunma ürünleri ile reaksiyonuna bağlı olarak amorf matriks içerisinde TiC, TiSi, ve TiO oluşmuştur. Ancak inert SiC ilavesi durumunda yeni faz oluşumu gözlenmemiştir. SEM-EDX analizleri bu faz oluşumlarının saptanmasında kullanılmıştır. Aktif dolgu kontrollü polimer piroliz (AFCOP) tekniğinin etkilerini incelemek için CMClerin kütle kaybı ve yoğunluk artışı değerleri ölçülmüştü. Kütle değişimleri seramik yapılara dolgu ilave edilerek polimer oranının düşmesi ve dolgu malzemesi ile polimer arasındaki reaksiyonlara bağlı olarak belirgin şekilde etkilenmiştir. Dolgusuz PPS örnekleri için % 27'lik, dolgusuz PMS için ise % 17Tik bir kütle kaybı 1500°C'de pirolizlenen örneklerde ölçülmüştür. Diğer yandan kompozit sistemlerinde bu değerin % 2 Tere kadar düştüğü görülmüştür. Kütle değişimlerinin ölçülmesinde ısıl analiz yöntemleri (TGA) de kullanılmıştır. Katkısız ve vıdolgu ilave edilmiş örneklerin mekanik karakterizasyonları Vickers Sertlik testleri ile yapılmıştır. Bunun sonucunda, dolgusuz seramikler maksimum sertlik değerlerine (dolgusuz PPS için 8.88 GPa, dolgusuz PMS için 10.67 GPa) çatlaksız ve en az gözenek içeren örneklerin üretildiği optimum sıcaklık olan 1100°C'de ulaşılmıştır. Kompozit sistemlerde ise sertlik değerleri 14 GPa kadar çıkmıştır. vıı

ABSTRACT The traditional ceramic processing techniques of CMCs such as hot pressing are high-temperature, high-cost processes, and unsuitable for manufacturing complex and near-net shapes. Fabrication of ceramic matrix composites (CMCs) from pyrolytic conversion of preceramic polymers has gained considerable attention in recent years due to their unique combination of low temperature processing, applicability of versatile plastic shaping technologies and microstructural control capabilities. In the present work, phenyl (PPS) and methyl (PMS) containing polysiloxanes were pyrolyzed at elevated temperatures (900-1 5 00°C) without filler addition under argon atmosphere to investigate the thermal conversions and phase formations in the polymer matrix. X-Ray diffraction (XRD) and Infrared spectroscopy (FTIR) techniques were used for this purpose. It was found that pyrolysis of the polymers under inert atmosphere up to 1300°C lead to amorphous silicon oxycarbide (SiOxCy) ceramics. Conversions at higher temperatures caused the transformation into the crystalline p-SiC phases. % Weight changes of the samples without filler addition were also followed by measuring the masses before and after pyrolyzation of the samples. CMC monoliths were fabricated with the addition of 60-80 wt% active and inert fillers by hot pressing under 15 MPa pressure and pyrolysis at elevated temperatures between 900-1500°C under inert argon and reactive nitrogen atmosphere. Effects of the filler type and ratio, pyrolysis temperature and atmosphere on the phase formations were investigated by using XRD, SEM-EDX and TGA techniques. The results showed that with the incorporation of active Ti fillers, formation of TiC, TiSi, and TiO within the amorphous matrix occurred due to the reactions between the Ti and the polymer decomposition products. However, no new phase development was observed in the case of inert SiC particulate addition. SEM-EDX analysis was also performed to monitor the new phase formations. Mass loss and densification values of the CMCs were measured to investigate the effect of active filler controlled polymer pyrolysis process (AFCOP). Weight changes were considerably affected in the case of addition of the fillers into the ceramic structure due to the reduction of the polymer ratio in the composite systems and the reactions between polymer and filler particles. As an example weight loss of 27 % was measured for PPS samples without filler addition, while 17 % weight reduction was measured for PMS without filler addition after pyrolysis at 1500°C. On the other hand, IVit was found that for the composite systems the weight loss values were reduced to 2 %. Mechanical property characterization of samples with and without filler addition was done by Vickers Indentation tests. It was found that ceramics that is the product of the pyrolysis of the polymer without filler addition exhibited the maximum hardness values (8.88 GPa for neat PPS, 10.67 GPa for neat PMS) at 1100°C, which is the optimum temperature for crack free samples with the least amount of porosity. Also, the composite system exhibited the hardness values up to 14 GPa.