ZrB2-SiC復相陶瓷的制備及其力學性能研究

藺錫柱，楊華亮，馮斌

（佛山市陶瓷研究所股份有限公司，佛山　528031）

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生產與應用

ZrB2-SiC復相陶瓷的制備及其力學性能研究

藺錫柱，楊華亮，馮斌

（佛山市陶瓷研究所股份有限公司，佛山528031）

本文以ZrB2和SiC粉為原料，采用Si3N4球為球磨介質，通過等靜壓成型及無壓燒結制備了ZrB2-SiC復相陶瓷，并對ZrB2-SiC復相陶瓷進行了體積密度、力學性能檢測和微觀結構分析。結果表明：隨著ZrB2球磨時間的增加，ZrB2顆粒粒徑逐漸減小，復相陶瓷的體積密度逐漸增加；隨著SiC含量的增加，復相陶瓷體積密度先增加后略有降低。ZrB2最佳球磨時間為6 h，SiC最佳含量為20 vol%。ZrB2-SiC 20 vol%復相陶瓷體積密度達到4.98 g/cm3，抗彎強度達到331 MPa，斷裂韌性達到6.8 MPa/m2。

ZrB2-SiC；體積密度；力學性能；球磨時間

1　前言

二硼化鋯（zirconium diboride，ZrB2）作為21世紀高溫領域基礎材料之一，是一種重要的特種陶瓷材料，是超高溫陶瓷材料中的典型材料。ZrB2陶瓷因為具有高熔點、高強度、高硬度、導電導熱性好、良好的阻燃性、耐熱性、抗氧化性、耐腐蝕性、捕集中子［1］等特點，而在高溫結構陶瓷材料［2］、復合材料［3-4］、電極材料［5］、薄膜材料［6］、耐火材料［7］、核控制材料等領域中得到廣泛開發(fā)和應用［8］。

目前，對于ZrB2基超高溫陶瓷的燒結，普遍采用熱壓燒結（HP）［9-11］的方式進行制備。近期又發(fā)展了反應燒結（RHP）［12-14］和放電等離子燒結（SPS）［15-17］等制備方法。但是以上燒結方式都采用了熱壓輔助，僅能制備尺寸較小、形狀簡單的制品，并且材料燒結后很難進行后續(xù)加工，且加工成本十分昂貴。大量研究證實，原料的粒徑大小和燒結助劑的添加明顯影響材料的燒結致密化［18-19］。因此，燒結助劑（如：C、B、W、SiC等）的引入，使ZrB2基超高溫陶瓷的無壓燒結成為現(xiàn)實，SiC可以抑制燒結過程中ZrB2陶瓷晶粒異常長大，促進燒結致密化。原料的超細化提高了顆粒的表面能及燒結活性，有利于燒結致密化。而無壓燒結工藝簡單，無需特殊設備，成本低，能夠得到大型、凈尺寸和復雜形狀的部件［20］。

2　實驗內容

2.1實驗原料

本實驗所用的主要原料有：純度大于99%，d50＝15 μm 的ZrB2粉料，大連化工研究所有限責任公司；純度大于98%，d50＝1.5 μm的SiC粉料，濰坊凱華碳化硅微粉有限公司。

2.2樣品制備

以Si3N4球為球磨介質，將ZrB2粉球磨1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h后，按樣品配方分別含SiC（vo1%）：5、10、15、20、25、30稱取ZrB2粉和SiC粉，以酒精為溶劑，同樣以Si3N4球為球磨介質混磨l h，經(jīng)干燥后制得混合粉，再經(jīng)造粒后裝入橡膠模具中，等靜壓110 MPa得生坯試樣，無壓燒結2050℃得到試驗所需試樣。

2.3性能測試

測量不同球磨時間所得ZrB2粉的粒徑，采用阿基米德法測定不同配比下的燒結體的體積密度，采用三點彎曲法測定其抗彎強度。試樣尺寸為4 mm×3 mm×36 mm，跨距為30 mm，壓頭加載速率為0.5 mm/min，采用SENB （single edge notched beam）法測定試樣的斷裂韌性，在2 mm×4 mm×36 mm的試樣條中央一側開有缺口，用三點彎曲法施加應力。

圖1　球磨時間與ZrB2顆粒粒徑之間的關系

圖2　ZrB2顆粒的SEM照片

圖3　SiC含量與球磨時間對ZrB2-SiC復相陶瓷體積密度的影響

3　結果分析與討論

3.1球磨時間對ZrB2顆粒粒徑的影響

圖1為球磨時間與ZrB2顆粒之間的關系。

由圖1可以看出，隨著球磨時間的增加，ZrB2顆粒粒徑逐漸減小。測試結果顯示：球磨1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h對應的平均粒徑分別為 5.12 μm、2.98 μm、1.73 μm、1.73 μm、1.51 μm、1.32 μm。球磨前期，ZrB2顆粒粒徑減小的比較明顯，球磨效率很高，隨著球磨時間的增加，顆粒粒徑的減小，球磨效率逐漸降低，顆粒粒徑減小的幅度下降。綜合考慮，選擇6 h為ZrB2粉料的最佳球磨時間。圖2為球磨前和球磨6 h后ZrB2粉料的SEM照片。

由圖2可知，研磨前ZrB2顆粒的粒徑約為15 μm，顆粒的邊角趨于圓滑，多為球形結構，研磨后ZrB2顆粒的粒徑明顯減小，約為1.3 μm，形狀不規(guī)則，呈多角形，棱角比較突出。ZrB2顆粒粒徑的降低可以增加比表面積，從而增強燒結驅動力，使材料更容易致密化。

3.2SiC含量與球磨時間對ZrB2-SiC復相陶瓷體積密度的影響

圖3顯示在2050℃下無壓燒結不同球磨時間和SiC含量對試樣的體積密度的影響。結果表明：ZrB2-SiC復相陶瓷的體積密度都隨SiC的加入量的增加先增加后略有降低。由ZrB2-SiC系相圖可知，當SiC的摩爾分數(shù)為23%時，SiC和ZrB2形成低共熔點化合物，因此，SiC的加入量為20 vo1%時為宜。當SiC加入量相同時，ZrB2-SiC復相陶瓷的體積密度隨球磨時間增加而增加。降低粉體的粒徑可以增加比表面積，從而增強燒結驅動力，使材料更容易致密化，同樣SiC的加入可以抑制燒結過程中ZrB2陶瓷晶粒異常長大，促進燒結致密化。當SiC的含量增加為20 vo1%時，采用不同球磨時間制備的ZrB2-SiC復相陶瓷體積密度均達到最大。

3.3球磨時間對ZrB2+20 vo1%SiC復相陶瓷力學性能的影響

表l為不同球磨時間對應的ZrB2-SiC復相陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性的測試結果。從表1可以看出，隨著ZrB2球磨時間增加，抗彎強度和斷裂韌性都呈現(xiàn)增加的趨勢。球磨時間較短時，抗彎強度和斷裂韌性的增加比較明顯；當球磨時間較長時，抗彎強度和斷裂韌性增加幅度明顯降低。

圖4分別為生坯試樣及燒結后所得試樣斷面的SEM照片。由圖4可知，生坯斷面較為平整，ZrB2與SiC顆?；旌暇鶆?，顆粒粒徑分布較為集中，坯體致密度高，氣孔率低。燒結后，顆粒出現(xiàn)明顯長大現(xiàn)象，具有金屬光澤，斷面有玻璃相析出，平整度低，斷裂方式為穿晶和沿晶混合斷裂。SiC在基體中還具有提高復相陶瓷力學性能的作用，在裂紋擴展過程中，當裂紋尖端擴展時遇到SiC顆粒時，裂紋將發(fā)生偏轉或扭轉，消耗了裂紋的斷裂能，抑制了主裂紋的擴展，提高了材料的斷裂韌性。

圖4　試樣斷面的SEM照片

表1　ZrB2+20vo1%SiC復相陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性

4　結論

（1）隨著球磨時間的增加，ZrB2-SiC復相陶瓷體積密度增加。隨著SiC體積含量的增加，ZrB2-SiC復相陶瓷體積密度先增加后略有降低，ZrB2最佳球磨時間為6 h，SiC最佳含量為20 vo1%。

（2）ZrB2粉球磨6 h后制備的ZrB2+20 vo1%SiC復相陶瓷的體積密度可達到4.98 g/cm3，抗彎強度可達到331 MPa，斷裂韌性可達到6.8 MPa/m2。

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Research on Preparation and Mechanical Properties of ZrB2-SiC Composite Ceramics

LIN Xi-zhu，YANG Hua-liang，F(xiàn)ENG Bin
（Foshan Ceramics Research Institute，F(xiàn)oshan528031）

In this study，with ZrB2and SiC powders used as raw materials and Si3N4as milling medium，ZrB2-SiC composites were prepared by isostatic pressing and pressureless sintering.The density，microstructure and mechanical properties of the composites were investigated.Results showed that with the increase of ZrB2milling time，ZrB2particles size was decreased and densities of the composites were increased. With the increase of SiC volume content，the density of the composites were first increased and then decreased a little.The best milling time of ZrB2was 6 hours and the best content of SiC was 20 vo1%.The density of ZrB2+20 vo1%SiC composite is up to 4.98 g/cm3，the flexural strength is 331 MPa，the fracture toughness is 6.8 MPa/m2.

ZrB2-SiC；Density；Mechanical properties；Milling time

藺錫柱，男，1987.8-，碩士研究生。