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第二相对复相结构陶瓷力学性能的影响研究

石小磊  
【摘要】: 工程结构陶瓷包括用于各种环境中的耐磨、耐腐蚀、耐高温等构件的各类陶瓷材料,运用材料的微观结构设计来制造和加工满足各种使用要求,主要强调材料的力学性能。单相陶瓷的强度和韧性一般较低,因此向陶瓷基体中添加第二相是强韧化结构陶瓷的一种主要途径。在本论文中,使用热压烧结的方法制备了不同第二相形式的陶瓷基复相材料,第二相的类型包括微米、纳米颗粒及低熔点相等,并对复相陶瓷的力学性能进行了研究。通过研究得到的主要结论如下: 对于纳米SiC强化Al2O3复相陶瓷,在同样的制备工艺下,添加1~2wt%纳米SiC使纯Al2O3的弯曲强度由280 MPa提高到516 MPa,断裂韧性也由3.2 MPa·m1/2提高到约5 MPa·m1/2。表明少量纳米SiC颗粒添加对力学性能的提高起了很大的作用,纳米SiC颗粒位于Al2O3晶粒内部,由于对晶界扩散的抑制作用显著细化了纯Al2O3的晶粒尺寸,因此降低了陶瓷材料内部的微裂纹大小,这是导致复相陶瓷强度增大的重要原因。此外,由于SiC和Al2O3由于热膨胀系数的失配使晶内的SiC颗粒在Al2O3晶界上产生压应力强化了晶界,也是导致强度和韧性提高的原因。 对于微米SiC强化Al2O3复相陶瓷,随着SiC添加量的增多烧结性变差,烧结温度提高,强度随着SiC添加量的增加而提高,当添加量达到20wt%时,复相陶瓷的弯曲强度达到615 MPa;断裂韧性随着SiC的添加先增大后减小,当添加5wt%SiC时断裂韧性最大达到7.6 MPa·m1/2。晶粒细化以及SiC在复相陶瓷基体内产生的径向压应力、切向拉应力是复相陶瓷强度提高的主要原因,断裂韧性随着穿晶断裂的趋势越明显而逐渐减低,显微组织观察表明Al2O3/SiC界面结合良好。 对于液相烧结的AlN陶瓷,YAlO低熔点相的引入促进了AlN陶瓷的致密化。力学性能分析结果表明:由于气孔率的降低,纯AlN陶瓷的强度和韧性随着晶界低熔点相的加入而提高,当添加2wt%Y2O3时,弯曲强度由245 MPa提高到383 MPa,断裂韧性由2.88 MPa·m1/2提高到3.1 MPa·m1/2;随着烧结助剂添加量的增多,YAlO相的含量也增加,并且布满整个晶界,但复相陶瓷材料的强度和韧性却随之下降;显微结构分析表明低熔点相和AlN基体间的润湿性极差,界面结合强度低,并由于两相间的热膨胀系数差在两相界面处产生拉应力,更进一步弱化了界面结合,使裂纹扩展更容易,导致力学性能的下降。 对于B4C/SiC两相陶瓷材料,SiC的添加对B4C陶瓷的烧结致密度基本无影响,影响B4C陶瓷致密化的因素主要是初始的粉末粒度和烧结温度及压力,采用超细的亚微米B4C粉在2000℃、30 MPa烧结条件下制备出达到理论密度的B4C及B4C/SiC复相陶瓷。显微结构观察发现B4C/SiC界面间的结合力很强,裂纹沿着SiC晶内或晶间扩展,因此随着SiC相的加入,B4C陶瓷的弯曲强度由500 MPa提高到约700 MPa,但断裂韧性由于穿晶断裂的倾向略有下降。


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