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放电等离子烧结法制备TiB_2/BN层状陶瓷

唐田  
【摘要】: 陶瓷材料作为一种性能优良的材料,具有耐高温,耐腐蚀,抗氧化,高强度等优异的性能。以此优异性能本应有广泛的应用,但由于韧性低,脆性大,抗破坏能力差的致命弱点,严重的限制了它的使用。因此,增加陶瓷材料的韧性,提高陶瓷材料的使用可靠性一直是国际材料界的研究重点。许多年来,人们不断研究陶瓷的增韧方法,目前增韧机制主要有两种:一种是消除或减少陶瓷材料中的原始裂纹缺陷;另一种是通过添加增韧相来提高陶瓷的韧性:如长纤维增韧补强,晶须增韧补强,相变增韧、颗粒弥散增韧等;它们虽然都有一定程度的增韧效果,但效果有限,不能从根本上解决陶瓷材料脆性破坏的弱点。近些年,人们从自然界一些具有特殊结构的生物得到启示,例如贝壳、竹子等,它们具有高强度,韧性也很好。在它们的启示下,人们开始层状陶瓷的研究。 层状复合陶瓷,即是具有独特叠层结构的陶瓷。除了通过选择不同的材料体系改造性能外,更重要的一点是可以从材料的宏观结构角度来设计新材料。目前国内外已有人从结构设计的角度出发,开始了层状复合陶瓷材料的探索性研究。对于层状复合陶瓷材料来讲,如果把每层看成块体材料的结构单元,则关键问题在于:(1)材料各结构单元的强度,韧性优化;(2)界面结合层的选择及与结构单元的匹配。层状结构单元基本上都是高强硬质的陶瓷材料如氮化硅、氧化铝等,通常是通过流延、轧膜等工艺方法制备的陶瓷薄片,而界面结合层的选择则种类繁多,如石墨、延性金属等,它们对陶瓷薄片起到一定的分隔作用。 本实验采用新的放电等离子烧结技术(Spark Plasma Sintering System,简称SPS)烧结制备TiB_2/BN层状陶瓷。该技术的主要特点是利用体加热和表面活化,实现材料的超快速致密化烧结,可广泛用于磁性材料、梯度功能材料、纳米陶瓷、纤维增强陶瓷和金属间化合物等一系列新型材料的烧结。 采用放电等离子快速烧结不仅有利于抑制晶粒长大,得到晶粒大小均匀的细晶粒陶瓷,而且可以控制烧结工艺,节约时间,提高烧结设备的利用率。研究表明,采用SPS技术可以有效的加速烧结时间,降低烧结温度。一次SPS烧结的时间在10分钟左右,TiB_2烧结温度在1600度就可以达到致密化,相对 武汉理工大学硕士学位论文 密度为99%以上,比普通的热压要低200度左右。而且研究表明,SPS技术烧 结的陶瓷有更好的力学性能。与采用热压烧结的T旧2陶瓷相比,抗弯强度从 520Mp8提高到640Mp8,增加了23%。 本实验证明,BN作为强基体T旧2陶瓷的夹层,可以通过其对裂纹的扩散, 偏转,钝化等机制,有效的提高TIBZ陶瓷的断裂韧性,井且保持了它原有的 强度。实验所制备的300urn厚n。,40rm厚的BN的T旧。/BN层状陶瓷,强 度为 643Mpa,(纯 TIBz为 640 Mpa)基本保持不变,断裂韧性为 9.12 Mpa.m’\ 比原先的 4.8 Mpa.m们提高近一倍。 对BN厚度的研究表明,BN厚度太薄,则达不到增韧的目的,太厚,也 对材料的性能有负面的影响,一般的厚度应该在30一50M附近。对TIB。厚 度的影响研究表明,TIBZ厚度也存在一个比较理想的范围,超过这个范围,对 提高材料的韧性会有负面的影响,起最佳设计厚度应该为150一300urn左右。 层状陶瓷的性能除了与厚度有关之外,还与软硬层厚比有一定的关系,太大太 小都不适合,比较好的大概在 10左右。TIBZ/BN层状陶瓷的韧化机制并不是 单一的,而是裂纹钝化,裂纹偏转,裂纹并行等多种机制共同影响的结果。 T旧/N层状陶瓷可以根据它的优化设计因素从宏观上加以调整,这样极大的 方便了我们的研究工作。


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