馬靜梅，劉惠蓮，華 中

(吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 四平 136000)

SiC陶瓷因其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有優(yōu)異的力學(xué)性能，抗氧化性和抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工程上得到廣泛的應(yīng)用[1].然而也正因?yàn)樗膹?qiáng)共價(jià)鍵特性使其具有較低的自擴(kuò)散系數(shù)，因此很難通過(guò)傳統(tǒng)工藝獲得完全致密的SiC陶瓷.采用固相燒結(jié)方法制備SiC陶瓷時(shí)通常會(huì)加入B，C或Al2O3等，這些添加劑雖然能夠?qū)崿F(xiàn)SiC的致密，但其燒結(jié)溫度都在2200oC以上.

近年來(lái)，AlN，Y2O3和Y2O3-Al2O3等作為燒結(jié)助劑也被加入到SiC中，這些粉體與SiC表面的SiO2反應(yīng)生成液相，不僅促進(jìn)了SiC的致密化而且降低了燒結(jié)溫度(2000oC)[2].但在高溫服役條件下，這些位于晶界處的產(chǎn)物就會(huì)軟化從而降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能，因此，為了更好的滿足SiC基復(fù)合材料的高溫服役要求，有必要尋求一種更好的液相燒結(jié)助劑，既具有高熔點(diǎn)又能在冷卻過(guò)程中快速晶化.

BaAl2Si2O8(簡(jiǎn)稱BAS)是一種熔點(diǎn)高達(dá)1760oC的陶瓷，溫度達(dá)1175oC左右就能形成低溫共熔體，且在冷卻過(guò)程中很容易結(jié)晶[3].前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明BAS是一種很有效的液相燒結(jié)助劑，促進(jìn)了Si3N4陶瓷的致密化[4].因此，本文將BAS引入到SiC陶瓷的制備中，研究了BAS含量對(duì)SiC基復(fù)合材料的致密化、顯微組織和力學(xué)性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及制備

實(shí)驗(yàn)所用原始粉體為α-SiC(山東濰坊凱華SiC微粉有限公司，其顆粒形貌與尺寸如圖1所示)，BaCO3(純度為99.9%，日本稀土材料有限公司)，Al2O3(純度為99.9%，日本稀土材料有限公司)和SiO2(Grade A16SG，Alcoa).生成的復(fù)合材料中BAS含量分別為20wt%、30wt%和40wt%.為保證生成BAS的化學(xué)計(jì)量比，根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，對(duì)SiC原始粉體表面的SiO2含量進(jìn)行了計(jì)算.

圖1 SiC粉體的原始形貌

以無(wú)水乙醇和Si3N4小球?yàn)榻橘|(zhì)，分別將三批次的粉體進(jìn)行了球磨濕混，時(shí)間為12h，將混均勻的粉體烘干過(guò)篩(100目)后裝入內(nèi)壁涂有BN的石墨模具進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1800oC，壓力為30MPa，保溫時(shí)間為1h，0.1MPa氮?dú)獗Ｗo(hù).

1.2 分析測(cè)試方法

復(fù)合材料的密度采用阿基米德排水法測(cè)量.實(shí)驗(yàn)儀器為BP211D精密分析天平，儀器精度為0.01mg.

將測(cè)試的試樣磨平、清洗并烘干，采用日本理學(xué)RIGAKU D/MAX-γB型X射線衍射儀對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行了物相分析，銅靶Kα射線，加速電壓為40kV，電流為200mA，掃描速度4o/min，步長(zhǎng)為0.02o，范圍為10o～65o.

將三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)后獲得的條狀試樣的熱壓面再次精度拋光后清洗烘干，在MX2600FE型掃描電鏡上觀察拋光表面，抗彎強(qiáng)度試樣的斷口形貌和壓痕裂紋擴(kuò)展路徑.為防止觀察時(shí)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，掃描前將所有觀察試樣表面噴Au處理.

復(fù)合材料的室溫抗彎強(qiáng)度是在Instron-5500型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上通過(guò)三點(diǎn)彎曲法測(cè)定的，十字壓頭的移動(dòng)速率為0.5mm/min.試樣尺寸為3×4×36mm3，跨距為30mm，試樣四個(gè)面經(jīng)研磨和拋光無(wú)劃痕，并45°倒角.每種試樣取4～6根取平均值.復(fù)合材料的斷裂韌性是在Instron-5569型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上采用單邊切口梁法(SENB)獲得的.試樣尺寸為2×4×20mm3，跨距為16mm，切口寬度為0.2mm.試樣尺寸滿足L/h=4，a/h≤0.5.壓頭移動(dòng)速率為0.05mm·min-1.試驗(yàn)結(jié)果為4～6個(gè)試樣的平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 相組成及組織特征

如表1所示，隨BAS(20%～40%)含量增加，BAS/SiC復(fù)合材料的致密度增加.盡管實(shí)驗(yàn)所用燒結(jié)溫度很低(1800oC)，這比SiC的傳統(tǒng)固相燒結(jié)和其它添加劑實(shí)現(xiàn)的液相燒結(jié)溫度都低，但BAS含量為40%的復(fù)合材料的致密度已高達(dá)95.8%.說(shuō)明在燒結(jié)過(guò)程中，BAS起到很有效的液相燒結(jié)助劑的作用.

表1 BAS/SiC復(fù)合材料的致密度及其力學(xué)性能

圖2所示為BAS/SiC復(fù)合材料的XRD圖譜.復(fù)合材料的物相組成中沒有發(fā)現(xiàn)原始粉末BaCO3，Al2O3和SiO2的衍射峰，說(shuō)明它們?cè)跓Y(jié)過(guò)程中已完全晶化成六方BAS相.圖2中也沒有觀察到單斜BAS相的存在，這主要是由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得六方BAS相向單斜BAS相轉(zhuǎn)變的速率十分緩慢[3].因此，從圖2中只觀察到α-SiC和六方BAS兩相的衍射峰.

圖3(a～b)所示為BAS含量分別為20%～40%的BAS/SiC復(fù)合材料的組織形貌.根據(jù)不同的原子序數(shù)，很容易分辯出復(fù)合材料中黑色的為SiC晶粒，連續(xù)白亮的是BAS相，這與EDS分析結(jié)果一致.三種復(fù)合材料中SiC晶粒都是均勻地分散于連續(xù)的BAS相中.圖3(a)中可觀察到少量的孔洞，這與前面的致密度測(cè)試結(jié)果一致(表1所示)，這主要是因?yàn)榇朔N復(fù)合材料中BAS含量較低，且實(shí)驗(yàn)所用燒結(jié)溫度較低(1800oC).

圖2 BAS/SiC復(fù)合材料的XRD圖譜

圖3 不同BAS含量的BAS/SiC復(fù)合材料的SEM形貌

2.2 力學(xué)性能

BAS/SiC復(fù)合材料的室溫抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表1所示.從表中可以看出，隨BAS含量的增加，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度增大.雖然燒結(jié)過(guò)程中BAS與SiC晶粒的熱失配(六方BAS的熱膨脹系數(shù)為8×10-6/°C，SiC晶粒的熱膨脹系數(shù)為4.5×10-6/°C)會(huì)破壞SiC對(duì)BAS基體的強(qiáng)化作用，但當(dāng)BAS含量增加到40wt%時(shí)，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度仍比純BAS基體(156MPa)增大191%[5].這主要?dú)w功于外力作用時(shí)，BAS能很好地向SiC傳遞載荷，及BAS含量很高造成的復(fù)合材料的高致密度(95.8%).

表1所示為復(fù)合材料的斷裂韌性測(cè)試結(jié)果.從中可以看出，隨BAS含量的增加，復(fù)合材料的斷裂韌性增加.BAS含量為30wt%和40wt%的復(fù)合材料的斷裂韌性分別為4.7和5.1MPa·m1/2.40wt%BAS/SiC復(fù)合材料斷裂韌性比純BAS陶瓷的斷裂韌性(1.4MPa·m1/2)提高264%[5].從圖4(a)和(b)所示的BAS含量為30wt%和40wt%的復(fù)合材料的斷口形貌可以觀察到，斷口比較粗糙，SiC晶粒拔出及拔出后留下的孔洞普遍可見.BAS含量的提高是復(fù)合材料斷裂韌性提高的主要原因.

圖4 30wt%BAS/SiC和40wt%BAS/SiC復(fù)合材料的斷口形貌

從表1可以看出，隨BAS含量的增加，復(fù)合材料的彈性模量增加.這主要與不同BAS含量的復(fù)合材料的致密度相關(guān).一般來(lái)說(shuō)，陶瓷的燒結(jié)工藝對(duì)其彈性模量影響很大.彈性模量與復(fù)合材料中的孔洞可以用以下關(guān)系表示：

E/E0=1-kP

此處E0為沒有孔洞即完全致密的復(fù)合材料的彈性模量，k為常數(shù)，P為孔隙率.當(dāng)P很小時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量就會(huì)隨孔隙率P的增加而線性降低[6].

圖5所示為30wt%BAS/SiC復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展路徑.從圖中可以看出裂紋沿SiC晶粒與BAS相的晶界處偏轉(zhuǎn)及裂紋尖端處SiC晶粒的拔出和裂紋橋連.裂紋偏轉(zhuǎn)的路徑越彎曲，越有利于復(fù)合材料力學(xué)性能的提高.另外，適當(dāng)?shù)奶岣邿Y(jié)溫度，將有利于復(fù)合材料致密度的提高，從而有利于復(fù)合材料力學(xué)性能的提高.

圖5 30wt%BAS/SiC復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展路徑

3 結(jié)論

采用1800°C熱壓燒結(jié)工藝成功制備了不同BAS含量的SiC基復(fù)合材料.隨BAS含量的增加，復(fù)合材料的致密度和力學(xué)性能都增加.SiC晶粒的拔出、裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋橋連為復(fù)合材料的主要增韌機(jī)制.

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