熱壓燒結(jié)α-SiC陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能的研究

馬靜梅，宋 健，劉惠蓮，華 中，肖 利，郭 麗

(吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 四平 136000)

熱壓燒結(jié)α-SiC陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能的研究

馬靜梅，宋 健，劉惠蓮，華 中，肖 利，郭 麗

(吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 四平 136000)

以α-SiC為原始粉體，采用1 800 ℃熱壓燒結(jié)工藝制備了BAS/SiC復(fù)合材料．利用阿基米德排水法、XRD、SEM、三點(diǎn)彎曲和單邊切口梁法等分析測(cè)試手段研究了復(fù)合材料的致密度、物相組成、斷口形貌及室溫力學(xué)性能．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著BAS含量的增加，復(fù)合材料的致密度增大，其相應(yīng)的力學(xué)性能也有很大的提高．而復(fù)合材料的物相不受BAS含量的影響，只有六方BAS和α-SiC兩相組成．

熱壓燒結(jié)；α-SiC；BAS；力學(xué)性能

0 引言

SiC燒結(jié)體的晶界能(γGB)和粉末表面能(γSV)之比很高，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力Δγ(Δγ=γSV/γGB)很小，不易獲得足夠的能量形成晶界，因此很難獲得致密的SiC陶瓷[1-3]．但在SiC中引入某些燒結(jié)助劑形成玻璃相和其他液相，粒子在液相中就會(huì)粘性流動(dòng)和重排，這樣不僅可以獲得致密的產(chǎn)品而且可以降低燒結(jié)溫度．這種在整個(gè)燒結(jié)過(guò)程中存在液相的燒結(jié)被稱作液相燒結(jié)．

BAS是硅鋁酸鋇(Barium Alminosilicate)的簡(jiǎn)稱，其熔點(diǎn)高達(dá)1 760 ℃，具有耐高溫(>1 590 ℃)、熱膨脹系數(shù)小(單斜相BAS在20-1 000 ℃時(shí)的熱膨脹系數(shù)為2.29×10-6/℃)、抗氧化性好、耐酸堿腐蝕能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于高溫?zé)釓?qiáng)材料等航空航天領(lǐng)域[4-8]．

本文將BAS作為液相燒結(jié)助劑，引入到SiC陶瓷的燒結(jié)中，希望獲得致密的SiC陶瓷基復(fù)合材料．通過(guò)BAS含量的變化，研究其對(duì)復(fù)合材料致密度，物相組成及力學(xué)性能的影響．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

以α-SiC(SIKA SINTEX 13C，Saint-Gobain Abrasives)、BaCO3(99.9 % Grade，Rare Metallic Co.,Ltd.,Japan)、SiO2(99.9 % Grade，Rare Metallic Co.,Ltd.,Japan)、和Al2O3(Grade A16SG Rare Metallic Co.,Ltd.,Japan)粉體為原料，濕混法制備了α-SiC陶瓷基復(fù)合材料．濕混用的無(wú)水乙醇為市售分析純?cè)噭?SiC的顆粒的平均尺寸為0.6-0.8 μm．

將以上粉末按比例計(jì)算并稱量，然后將粉體放入聚乙烯瓶中，倒入適量的無(wú)水乙醇和氮化硅小球，在球磨機(jī)上濕混12 h．將混好的漿料放入40℃旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中烘干．為防止粉體在機(jī)械混合過(guò)程中發(fā)生團(tuán)聚，將粉體烘干后過(guò)100目篩子，并裝入內(nèi)壁涂有BN的直徑為50 mm的石墨模具．為便于燒結(jié)結(jié)束后脫模，粉體與壓頭之間最好墊兩層石墨紙，并在模具內(nèi)壁涂一薄層氮化硼濕粉．將混好的粉末放入石墨模具中，0.1個(gè)大氣壓N2氣氛，10 ℃/min速率升溫到1 800 ℃，保溫60 min，采用的燒結(jié)壓力為30 MPa，隨爐冷卻制備α-SiC陶瓷基復(fù)合材料．

1.2 測(cè)試方法

根據(jù)商家提供的原料的規(guī)格參數(shù)，依據(jù)混合法，對(duì)燒結(jié)所得材料的理論密度進(jìn)行了計(jì)算．并采用阿基米德排水法，對(duì)燒結(jié)所得材料的實(shí)際密度進(jìn)行了精確測(cè)定(一塊樣品測(cè)量6條，取其平均值)．復(fù)合材料的致密度為實(shí)際密度和理論密度之比．為準(zhǔn)確測(cè)量，在測(cè)試前，先將每條試樣表面清洗烘干．以防止樣品表面產(chǎn)生氣泡，在試樣表面輕輕涂上一薄層凡士林然后在放入水中測(cè)試實(shí)際密度．

燒結(jié)得到材料的物相組成分析在日本理光電機(jī)D/max-γB型X射線衍射儀上進(jìn)行，采用銅靶的Kα射線作為標(biāo)識(shí)的X射線，加速電壓為40 kV，電流為60 mA，掃描速度為4°/min．

在Hitachi S-4700掃描電子顯微鏡上觀察復(fù)合材料的斷口形貌．為了防止試樣表面放電，在觀察前對(duì)試樣表面噴金8 min．

復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度是在Instron-5500型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上通過(guò)三點(diǎn)彎曲法測(cè)定，十字壓頭的移動(dòng)速率為0.5 mm/min．強(qiáng)度測(cè)試跨距為30 mm，測(cè)試樣品長(zhǎng)為40 mm，厚為3 mm，寬為4 mm．在Instron-1186型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，通過(guò)單邊缺口梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)定燒結(jié)材料的斷裂韌性．?dāng)嗔秧g性測(cè)試時(shí)跨距為16 mm，缺口寬度為0.2 mm．測(cè)試樣品長(zhǎng)度為24 mm，寬為2 mm，厚為4 mm．測(cè)試時(shí)夾頭位移速度為0.05 mm/min．結(jié)果為6條試樣的平均值．

2 結(jié)果與討論

2.1 致密化和物相組成

圖1所示為1 800 ℃熱壓燒結(jié)制備的不同BAS含量的BAS/SiC復(fù)合材料的致密度計(jì)算結(jié)果．從圖中可以看出，隨BAS含量的增加，復(fù)合材料的致密度提高，這主要是因?yàn)锽AS形成的液相和晶界相增多，能夠充分地潤(rùn)濕原始粉末，降低晶界能，從而減小了復(fù)合材料中的孔洞，有利于提高BAS/SiC復(fù)合材料的致密度．依據(jù)液相燒結(jié)機(jī)制，陶瓷的燒結(jié)一般與原材料的晶粒大小，添加劑，晶粒分布狀態(tài)及燒結(jié)工藝有關(guān)．

圖1 不同BAS含量的BAS/SiC復(fù)合材料的致密度

圖2所示為以α-SiC為原料，采用熱壓燒結(jié)法，在1 800 ℃/60 min條件下合成的BAS/SiC復(fù)合材料的XRD圖譜．從圖中可以看出，三種復(fù)合材料均由六方BAS相和α-SiC兩相組成．復(fù)合材料的XRD圖譜中沒有發(fā)現(xiàn)BaCO3、Al2O3和SiO2的衍射峰，說(shuō)明BaCO3、Al2O3和SiO2粉體的化學(xué)計(jì)量比正確，在燒結(jié)過(guò)程中已原位合成了BAS相．

隨BAS含量的增加，復(fù)合材料在燒結(jié)過(guò)程中生成了大量的液相，更有利于α-SiC晶粒的溶解，重排和析出．復(fù)合材料的XRD圖譜中都沒有檢測(cè)到單斜BAS的衍射峰，說(shuō)明六方BAS相沒有相變?yōu)閱涡盉AS相，這主要是因?yàn)榱紹AS是二維層狀結(jié)構(gòu)，而單斜BAS為三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，六方向單斜轉(zhuǎn)變時(shí)，需要Ba位置、Al-N鍵和Si-O鍵的斷裂重排，因此六方BAS相向單斜BAS相變的進(jìn)程十分緩慢[9]，因此，結(jié)晶過(guò)程中，六方BAS相總是優(yōu)先析出．

圖2 不同BAS含量的BAS/SiC復(fù)合材料的XRD圖譜

2.2 力學(xué)性能

圖3所示為α-SiC原始粉末制備的BAS/SiC復(fù)合材料的室溫抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性．從圖中可以看出，1 800 ℃低溫?zé)Y(jié)時(shí)，BAS含量對(duì)BAS/SiC復(fù)合材料的致密度影響很大，對(duì)復(fù)合材料的室溫抗彎強(qiáng)度影響也很大，即隨著BAS含量的增加，復(fù)合材料的室溫抗彎強(qiáng)度增大，這與復(fù)合材料的致密度隨BAS含量的變化規(guī)律相同．BAS含量為20wt.%，30wt.%和40wt.%時(shí)，復(fù)合材料的室溫抗彎強(qiáng)度分別為273.3 MPa，402.8 MPa和577.0 MPa．

陶瓷材料的室溫強(qiáng)度是當(dāng)彈性變形達(dá)到極限程度而發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力，即彈性變形抗力，其大小取決于材料本身的成分及組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)也會(huì)受外界條件，如溫度、應(yīng)力狀態(tài)等的變化而變化[10]．對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，當(dāng)材料的成分確定之后，氣孔率和晶粒尺寸是影響復(fù)合材料強(qiáng)度的兩個(gè)重要影響因素，即隨著氣孔率的增加，復(fù)合材料的強(qiáng)度下降．這也是BAS/SiC復(fù)合材料的室溫抗彎強(qiáng)度隨BAS含量即致密度的增加而增加的原因．

BAS/SiC復(fù)合材料的斷裂韌性如圖3所示．1 800 ℃ 熱壓燒結(jié)時(shí)，BAS含量為20wt.%，30wt.%和40wt.%的復(fù)合材料的斷裂韌性分別為2.85 MPa·m1/2，5.04 MPa·m1/2和5.68 MPa·m1/2，隨BAS含量的增加，復(fù)合材料的斷裂韌性提高．

圖4所示為1 800 ℃熱壓燒結(jié)原料為α-SiC的BAS/SiC復(fù)合材料的室溫?cái)嗫谛蚊玻畯膱D中可以看出，SiC主要以沿晶斷裂為主，斷口粗糙起伏不平，這是SiC晶粒與界面解離及拔出后留下的孔洞．BAS含量為20wt.%復(fù)合材料的致密度很低為87.7%，其斷口形貌好像SiC晶粒表面包裹的是正處于熔融狀態(tài)還沒有來(lái)得及晶化的BAS相．但如圖2所示的20wt.%BAS/SiC復(fù)合材料的XRD圖譜分析結(jié)果看，BAS已經(jīng)完全晶化，此形貌說(shuō)明SiC晶粒和BAS相的結(jié)合較弱， 這也是其力學(xué)性能較低的原因[11,12]．

圖4 不同BAS含量的BAS/SiC復(fù)合材料的斷口形貌

3 結(jié)論

α-SiC為原始粉體，1 800 ℃制備了不同BAS含量的BAS/SiC復(fù)合材料．復(fù)合材料的物相組成不受BAS含量的影響，只要六方BAS和α-SiC相．而隨著BAS含量的增加，復(fù)合材料的致密度，力學(xué)性能明顯提高．復(fù)合材料的斷裂主要以沿晶斷裂為主．

[1]馬靜梅.BAS/SiC陶瓷基復(fù)合材料的制備及其組織與性能[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]馬靜梅，陳 琪，肖 利，等.燒結(jié)溫度對(duì)SiC陶瓷基復(fù)合材料組織及力學(xué)性能的影響[J]．吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,34(4):68～63.

[3]馬靜梅，劉惠蓮，華 中，等.BAS/SiC基復(fù)合材料的制備及其顯微組織的研究[J]．吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,34(1):90～93.

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[10]周 玉.陶瓷材料學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[11]于 萍.SiCf(w)對(duì)Cf/SiO2陶瓷復(fù)合材料力學(xué)與抗熱震性能的影響[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文,2010.

[12]譚壽洪,陳忠明,江東亮.液相燒結(jié)SiC陶瓷[J]．硅酸鹽學(xué)報(bào),1998,2:191～197.

StudyonMechanicalPropertiesofHP-edα-SiCCeramicsMatrixComposites

MAJing-mei，SONGJian,LIUHui-lian,HUAZhong,XIAOLi,GUOLi

(College of Physics,Jilin Normal University,Siping 136000,China)

BAS/SiC composites were fabricated with original α-SiC powders by hot-pressing at 1 800℃.Densification,phase composition,fracture micrographs and room-temperature mechanical properties of the composites were studied by means of Archimedes' principle,XRD,SEM and three-point bending methods.The results showed the relative densities of the composites increased for improving BAS content,correspondingly,the mechanical properties of the composites increased.Only two crystalline phases were found in the composites,i.e.hexacelsian (H-BAS) and α-SiC,without effect of BAS content.

Hot-pressing;α-SiC;BAS;Mechanical property

郎集會(huì))

2014-06-05

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目([2013]第205號(hào))

馬靜梅(1973-)，女，吉林省吉林市人，現(xiàn)為吉林師范大學(xué)物理學(xué)院講師，博士.研究方向：無(wú)機(jī)非金屬.

TB332

A

1674-3873-(2014)03-0041-03