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氮化硅基连续功能梯度材料的制备及其性能研究

刘强  
【摘要】:功能梯度材料具有同时满足不同使用要求、提高材料的使用可靠性的优点。但采用传统制备方法获得的梯度材料在材料内部沿梯度方向上很难避免产生应力,特别是采用层叠法制备的梯度材料,不同的层之间存在成分突变的界面导致产生较大的内应力;而且一般方法较为繁琐,难以控制制备过程。本文以混合均匀的原始粉体为原料,采用放电等离子烧结技术,合理设计烧结模具放置方式,产生了连续梯度变化的温度场,烧结制备了不同组成成分的氮化硅基连续功能梯度材料,消除了梯度材料内部产生的应力。研究了所制备的连续梯度材料的相组成、力学性能和显微组织的变化;并研究了不同添加剂或材料组分对材料力学性能和显微组织的影响。 将放电等离子烧结过程中的模具采用不对称放置,使模具上下两端与放电等离子烧结炉中电极接触面积不同,可以造成模具两端的电流密度差异较大,实现在模具中产生稳定的温度梯度场。采用混合均匀的添加20wt% BaSi_2Al_2O_8(BAS)的氮化硅复合粉末制备了BAS/Si_3N_4连续功能梯度材料,材料中β-Si_3N_4相对含量随着距离低温端的距离增大而增大。从低温端β-Si_3N_4相对含量为12%变化到高温端β-Si_3N_4相对含量为83%;材料的硬度随着离低温端距离的增大而减小,由低温端的16.7GPa降低到高温端的的12.6GPa,而断裂韧性值则从低温端的3.22 MPa·m1/2增大到高温端的5.72MPa·m1/2。制备的梯度材料由低温端中大量等轴状的细小晶粒逐渐变化到高温端中较大尺寸的长棒状晶粒。 以不同稀土氧化物和MgO作为复合烧结助剂制备了(RE_2O_3+MgO)/Si_3N_4连续梯度材料。材料从低温端到高温端的维氏硬度从最高约为20GPa降低到最低约为15GPa,而高温端面断裂韧性最高达7.12MPa·m1/2,低温面最低断裂韧性为5.30 MPa·m1/2。在材料低温端具有大量细小的等轴状晶粒,在沿厚度方向上,随着离低温端距离的增大,等轴状晶粒逐渐减少,转变成长棒状的晶粒,并且长棒状晶粒尺寸逐渐增大;添加Lu2O3比添加Gd2O3更容易促进α-Si_3N_4→β-Si_3N_4的相转变,且获得直径较大的长棒状晶粒,而添加Gd2O3更容易获得具有较高长径比的长棒状晶粒;在β-Si_3N_4相的相对含量较少的截面上,摩擦系数和摩擦磨损率都较小。 以均匀的原始粉体为原料,采用SPS烧结制备了SiC/Si_3N_4复合连续梯度材料。结果表明从材料的低温端到高温端存在相组成成分、维氏硬度和断裂韧性、 以及显微组织连续梯度变化。α-SiC的存在给β-Si_3N_4相的生成提供了大量形核位置,但对已形核的β-Si_3N_4晶粒晶界推移起抑制作用,使SiC/Si_3N_4复合连续梯度材料获得许多细小的长棒状β-Si_3N_4晶粒。


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