反應(yīng)燒結(jié)制備碳化硅-氮化鋁復(fù)合材料

閆學(xué)增，吳　曉，楊亞云，林文松，王靜靜

(上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海　201620)

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反應(yīng)燒結(jié)制備碳化硅-氮化鋁復(fù)合材料

閆學(xué)增，吳曉，楊亞云，林文松，王靜靜

(上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海201620)

采用硅作為熔滲劑，利用真空反應(yīng)燒結(jié)的工藝，在1600 ℃燒結(jié)制得了結(jié)構(gòu)致密、密度低的碳化硅-氮化鋁(SiC/AlN)復(fù)合材料，分析測(cè)試了所制得的復(fù)合材料的物相、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。結(jié)果表明，氮化鋁的添加量由2wt%增加到10wt%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)AlN含量為6wt%時(shí)，得到復(fù)合材料的力學(xué)性能最高，其抗彎強(qiáng)度為256 MPa，顯微硬度為2660 HV。加入AlN后，復(fù)合材料的孔隙率略微有點(diǎn)上升，燒結(jié)體的密度在2.95～3.01 g/cm3之間。復(fù)合材料的主要組成相為SiC、AlN和Si。

氮化鋁； 碳化硅； 反應(yīng)燒結(jié)； 熔滲

1　引　言

碳化硅陶瓷(SiC)具有硬度高、密度低、耐磨蝕、耐高溫等特點(diǎn)[1]，并具有很好的彈道防護(hù)性能，在防彈領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。但是碳化硅也存在脆性高、韌性差的缺陷，因此需要對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度與韌性的提高。在陶瓷基體中添加第二相粒子是一種較好的增韌方法[2]。AlN陶瓷材料具有高彈性模量、抗彎強(qiáng)度高、與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)[3,4],而且碳化硅和氮化鋁在晶格常數(shù)、晶型和密度等物理性能方面比較接近，使得碳化硅-氮化鋁能夠形成固溶相[5]。目前碳化硅-氮化鋁復(fù)合材料的制備方法主要是熱壓[6]、氣壓[7]、無(wú)壓[1]和等離子燒結(jié)[8]，制備工藝復(fù)雜，設(shè)備要求高。本實(shí)驗(yàn)中采用反應(yīng)燒結(jié)的方法，在較低的溫度下制備碳化硅-氮化鋁復(fù)相陶瓷材料，研究了添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氮化鋁得到的碳化硅-氮化鋁復(fù)相陶瓷材料的密度、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

2　實(shí)　驗(yàn)

將SiC(粗細(xì)兩種粒度的配比見(jiàn)表1)、AlN(粒度為1 μm)、酚醛樹(shù)脂、炭黑組成的混合粉末與適量的乙醇一起放入研磨罐中球磨2 h，得到的粉末漿料經(jīng)干燥和霧化造粒后，在剛模中壓制成形，成形壓力為100 MPa。成形素坯與硅餅一起放置于燒結(jié)舟中，采用熔滲Si反應(yīng)燒結(jié)工藝制備得到SiC/AlN復(fù)相陶瓷材料。燒結(jié)在真空爐中完成，真空度為2×10-2Pa，燒結(jié)溫度為1600 ℃，保溫時(shí)間為1 h。壓坯中混合粉末的成分配比如表1所示。

表1　試樣混合粉末組成成分

燒結(jié)試樣經(jīng)過(guò)磨削和拋光后，線切割成3 mm×4 mm×36 mm的試樣條，在日本島津AG-25TA型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試，加載速度為0.5 mm/min，跨距為30 mm，每組數(shù)據(jù)測(cè)試5個(gè)試樣，并取其平均值。采用上海泰明HXD-1000TMSC/LCD型硬度計(jì)測(cè)量材料維氏硬度，壓入載荷為5 N。采用阿基米德排水法測(cè)量試樣密度和開(kāi)口氣孔率。采用X射線衍射法(荷蘭 PANalytical公司，X' Pert PRO型X射線衍射儀)分析復(fù)相陶瓷的物相。利用金相顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM，日本HITACHI公司，S3400-N)觀察進(jìn)行樣品的金相和斷口形貌。

3　結(jié)果與討論

3.1SiC/AlN復(fù)相陶瓷的金相組織和力學(xué)性能

燒結(jié)試樣的密度和力學(xué)性能列于表2中?？梢钥闯?，隨著試樣中AlN含量由2wt%增加到10wt%，試樣的氣孔率由1.8%提高到3.1%，說(shuō)明加入了AlN后，液體硅對(duì)壓坯的潤(rùn)濕性有所下降。圖1是五種燒結(jié)試樣的金相組織，可以看出，所有試樣中都含有顏色較深的SiC和灰色的AlN，以及部分白色的單質(zhì)Si相。試樣表面致密，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大尺寸的氣孔，試樣的氣孔都較為彌散細(xì)小。由于SiC的密度(3.21 g/cm3)和AlN的密度(3.26 g/cm3)非常接近，燒結(jié)試樣的理論密度與AlN含量的關(guān)系不大。隨著試樣中AlN含量提高，試樣氣孔率有所提高導(dǎo)致試樣密度由3.01 g/cm3小幅下降到2.95 g/cm3。

表2　試樣的致密度和力學(xué)性能

由表2可以看出，隨著氮化鋁含量的增加，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和硬度均出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，并在氮化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)達(dá)到最大值，最大的抗彎強(qiáng)度為256 MPa，顯微硬度達(dá)到2660 HV。這可能是因?yàn)锳lN粉末粒度較為細(xì)小，過(guò)多的AlN粉末難以分散均勻，導(dǎo)致AlN的韌化作用下降。從圖1的金相組織中也能觀察到，AlN含量為8wt%和10wt%的試樣的金相組織均勻性明顯較差。

圖1　不同AlN含量下SiC/AlN復(fù)合材料試樣的金相照片(a)2wt%AlN(b)4wt%AlN(c)6wt% AlN(d)8wt% AlN(e)10wt% AlNFig.1　OM micrographs of polished surface of SiC/AlN composites with various AlN contents

3.2SiC/AlN復(fù)相陶瓷的相組成

圖2是五種試樣的XRD衍射圖譜。可以看出，所有試樣的衍射圖譜基本一致，說(shuō)明它們都具有相同的相組成。分析表明，試樣中含有SiC、AlN、Si等相，沒(méi)有其它相存在。說(shuō)明在反應(yīng)燒結(jié)過(guò)程中，素坯中的AlN并沒(méi)有與Si或者SiC發(fā)生反應(yīng)，AlN也沒(méi)有溶解于SiC中，分布于SiC顆粒界面的AlN能很好地起到韌化作用。從圖1中可以看出，AlN含量為6wt%的試樣，AlN成網(wǎng)絡(luò)狀均勻分布于SiC顆粒之間，因此，該試樣具有最好的力學(xué)性能。

圖2　不同AlN含量下SiC/AlN復(fù)合材料的XRD衍射圖譜Fig.2　XRD patterns of SiC/AlN composites with various AlN contents

反應(yīng)燒結(jié)的基本原理是：將具有反應(yīng)活性的液態(tài)硅或硅合金，在毛細(xì)管力的作用下滲入含碳的多孔陶瓷壓坯，并與其中的碳反應(yīng)生成碳化硅，由于生成的碳化硅比同樣摩爾數(shù)的碳的體積大，新生成的碳化硅充填了壓坯中原有的氣孔，完成了致密化的過(guò)程。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的制備過(guò)程的一般反應(yīng)式為：

(CI + SiCI)生坯 + SiL → SiCI + SiCF

其中，I 表示初始加入相，F(xiàn)表示反應(yīng)生成相，L表示反應(yīng)過(guò)程中處于液態(tài)。

在上述反應(yīng)過(guò)程中壓坯中AlN與Si不發(fā)生反應(yīng)。為了避免硅與碳反應(yīng)形成的SiC堵塞壓坯表層的孔洞、導(dǎo)致壓坯芯部燒結(jié)不透(殘留碳)，壓坯的孔隙數(shù)量比理論值高。上述反應(yīng)后殘留的孔隙由液相硅填充，因此，反應(yīng)燒結(jié)后得到的復(fù)相陶瓷中可能存在一定數(shù)量的殘余Si。

3.3SiC/AlN復(fù)相陶瓷的斷口形貌分析

圖3　不同AlN含量下SiC/AlN復(fù)合材料的斷口形貌(a)2wt%AlN；(b)4wt%AlN；(c)6wt%AlN；(d)8wt% AlNFig.3　SEM images of the fracture surfaces of SiC/AlN composites with various AlN contents

四種SiC/AlN復(fù)相陶瓷斷口形貌的掃描電鏡照片如圖3所示?？梢钥闯?，斷裂行為是穿晶斷裂與沿晶斷裂相結(jié)合的方式。在四個(gè)試樣中，AlN含量為6wt%的試樣，其斷口中晶粒拽出的痕跡最大，說(shuō)明其主要的斷裂機(jī)制是沿晶斷裂，其斷裂韌性最大，也說(shuō)明了適量的AlN能提高SiC陶瓷的斷裂韌性。這個(gè)結(jié)果與陶瓷彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

4　結(jié)　論

采用反應(yīng)燒結(jié)工藝制得了結(jié)構(gòu)致密、密度低的碳化硅-氮化鋁(SiC/AlN)復(fù)合材料，復(fù)合材料的主要組成相為SiC、AlN和Si。隨氮化鋁的添加量由2wt%增加到10wt%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能先增加而后減小，并在AlN含量為6wt%時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度為256 MPa、顯微硬度為2660 HV。加入AlN后，復(fù)合材料的孔隙率略微有點(diǎn)上升，燒結(jié)體的密度在2.95～3.01 g/cm3之間。

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Preparation of SiC-AlN Composites by Reaction-bonded Method

YANXue-zeng,WUXiao,YANGYa-yun,LINWen-song,WANGJing-jing

(School of Materials Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

SiC-AlN composites were prepared by reaction bonded method under vacuum at 1600 ℃.The phase,microstructure and mechanical properties of the composites were characterized and measured. The mechanical properties of the composites first increased and then decreased with increase of the content of AlN.The maximum flexural strength (256 MPa) and hardness (2660 HV) were reached when the content of AlN was 6wt%.The porosity of the composites increased slightly with the addition of AlN,and the density of composites varied from 2.95 g/cm3to 3.01 g/cm3. The phased existed in the composites were SiC, AlN and Si.

AlN;SiC;reaction bonded;infiltration

上海市教委重點(diǎn)項(xiàng)目(13ZZ133)；上海工程技術(shù)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(15KY0506)

閆學(xué)增(1990-)，男，碩士研究生.主要從事結(jié)構(gòu)陶瓷及應(yīng)用研究.

林文松，教授.

TQ174

A

1001-1625(2016)03-0682-04