高朋召，顏 進(jìn)，林明清，高 波， 吳傳清， 肖漢寧

(1. 湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司，湖南 臨澧 415211；2. 湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

納米SiC增韌Al2O3陶瓷復(fù)合材料的制備、表征及力學(xué)性能研究

高朋召1,2，顏 進(jìn)1，林明清1，高 波1， 吳傳清1， 肖漢寧2

(1. 湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司，湖南 臨澧 415211；2. 湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

以SiC和Si微米粉為添加劑，采用無(wú)壓燒結(jié)工藝制備了納米SiC增韌的Al2O3陶瓷復(fù)合材料，探討了SiC含量、燒結(jié)氣氛和燒結(jié)溫度對(duì)復(fù)合材料的燒成收縮率、微觀形貌、抗彎強(qiáng)度、維氏硬度及斷裂韌性的影響。結(jié)果顯示： SiC的添加使復(fù)合材料的燒成收縮率下降，惰性氣氛下復(fù)合材料的收縮率要大于氧化氣氛和還原氣氛時(shí)的收縮率。在氧化性氣氛下燒結(jié)時(shí)，當(dāng)SiC添加量為4%時(shí)，復(fù)合陶瓷的體積密度為3.80 g·cm-3，抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性及維氏硬度均達(dá)到最大值，分別為480 MPa、5.12 MPa·m1/2、16.2 GPa。添加SiC后所得復(fù)合材料的基體顆粒為橢圓狀，粒徑為2μm左右，顆粒與顆粒之間結(jié)合緊密，顆粒形狀的改變可能是因?yàn)闊Y(jié)機(jī)理發(fā)生變化所致。納米SiC顆粒位于晶界處，形成了由Al2O3-SiC-Al2O3搭橋聯(lián)結(jié)的晶界，提高了晶界強(qiáng)度，導(dǎo)致裂紋只能在晶內(nèi)傳播。

納米SiC；Al2O3陶瓷復(fù)合材料；力學(xué)性能；強(qiáng)韌化

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外使用的防彈陶瓷材料主要有Al2O3、B4C、SiC、TiB2、AlN、Si3N4、Sialon等[1]。相比其它陶瓷材料，Al2O3雖硬度較低、密度較高，但燒結(jié)性能好，工藝成熟，生產(chǎn)成本低，因而得以廣泛在防彈陶瓷中使用。由于Al2O3陶瓷防彈性能較差，在實(shí)際使用中主要通過(guò)增加厚度來(lái)提高防護(hù)效果，陶瓷厚度的增加直接導(dǎo)致制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本增加。由于Al2O3密度較高，厚度增加也導(dǎo)致防護(hù)裝具的質(zhì)量顯著增加，影響穿著舒適度和靈活性，這是阻礙Al2O3防彈陶瓷進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。研究表明，影響陶瓷材料防彈性能的主要因素包括硬度、斷裂韌性及彎曲強(qiáng)度等[2,3]。

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，改善陶瓷材料脆性同時(shí)提高其強(qiáng)度的方法比較有限。按照Griffith的理論，脆性材料的斷裂強(qiáng)度只能通過(guò)提高其斷裂韌性或減小臨界裂紋尺寸來(lái)提高[4]。通過(guò)在陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)中加入不同的能量分散元素可提高其斷裂韌性，這些元素包括纖維[5]、晶須[6]或晶片以及微粒等[7]，這種增強(qiáng)是通過(guò)偏移裂紋或提供連接成分以預(yù)防裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)的[8]。另一種方法是在陶瓷基體中加入金屬成分來(lái)形成裂紋連接元素以便在塑性變形時(shí)吸收能量[9]。陶瓷材料硬度的提高主要通過(guò)在基體中加入硬顆粒[10]。但上述方法或者導(dǎo)致制備工藝復(fù)雜、成本增加，如添加纖維、晶須等[4,11]；或者導(dǎo)致材料的燒結(jié)溫度升高，需要在非氧化性氣氛下燒結(jié)[10]。

自從二十世紀(jì)80年代末，Niihara等報(bào)道了一系列材料中添加亞微米級(jí)或納米級(jí)分散相粒子后具有極高的性能以來(lái)，納米復(fù)合材料的研究已成為材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)[1,12-16]。研究表明，采用無(wú)壓燒結(jié)制備的納米SiC顆粒增強(qiáng)的Al2O3復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為 489.0 MPa，斷裂韌性為6.17 MPa·m1/2。而采用熱壓燒結(jié)后，所得復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為655±90 MPa，斷裂韌性為7.6 MPa·m1/2，維氏硬度值為 20.5 GPa，相比單相Al2O3陶瓷，所得數(shù)值均大幅提高。由此可見(jiàn)，納米SiC的添加能全面且顯著提高Al2O3陶瓷材料的力學(xué)性能，在防彈材料方面的應(yīng)用具有無(wú)法估量的潛力，是今后發(fā)展的主要方向[2]。但由于SiC在高溫下易于氧化，故而上述燒結(jié)過(guò)程均在惰性氣氛下進(jìn)行，或采取局部保護(hù)措施[7,15-17]，這些在實(shí)際生產(chǎn)中都是較難解決的問(wèn)題。

本研究嘗試采用微米SiC和Si粉共添加來(lái)制備納米SiC顆粒增韌的Al2O3復(fù)合材料。Si粉主要用于在復(fù)合材料的燒結(jié)過(guò)程中熔融并包覆在SiC顆粒的表面，阻止其氧化，最終實(shí)現(xiàn)該類(lèi)復(fù)合材料空氣氣氛下的燒結(jié)。論文探討了SiC含量、燒結(jié)氣氛和燒結(jié)溫度對(duì)復(fù)合材料的燒成收縮率、微觀形貌、抗彎強(qiáng)度、維氏硬度及斷裂韌性的影響，最后探討了復(fù)合材料的強(qiáng)韌化機(jī)理。

表1 實(shí)驗(yàn)原料配方Table 1 Composition of experiment materials

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

氧化鋁造粒粉(Al2O3)：純度99%，晶粒粒徑(D50): 1.0 μm，河南濟(jì)源兄弟材料有限公司；碳化硅微粉(SiC): 純度為98%，平均粒徑為1 μm，昌樂(lè)鑫源碳化硅微粉有限公司；Si粉：純度為99.5%，平均粒徑為1.0 μm，北京泰欣隆金屬材料加工廠。表1為實(shí)驗(yàn)原料的配方表。

1.2 復(fù)合材料的制備工藝

SiC和Si粉按照表1的比例稱(chēng)量后進(jìn)行混合，加入一定量的5%PVA粘結(jié)劑，轉(zhuǎn)移進(jìn)入球磨罐中，加入一定量的去離子水，采用剛玉球作為研磨介質(zhì)進(jìn)行濕磨。球磨工藝參數(shù)為400轉(zhuǎn)/分鐘，60分鐘。完成濕磨工藝后，將漿料從球磨罐轉(zhuǎn)移到瓷質(zhì)容器中。在鼓風(fēng)干燥箱中80 ℃烘干至恒重，將粉料再次裝入球磨罐中進(jìn)行干磨，干磨參數(shù)與濕磨相同。干磨后的粉料加入一定量的水進(jìn)行陳腐、造粒等。將造粒后的SiC-Si微球與Al2O3造粒粉通過(guò)過(guò)篩混合均勻，然后按照力學(xué)性能測(cè)試的尺寸要求，在80 MPa壓制試樣，試樣在80 ℃烘干24 h后進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)工藝為0-400 ℃，2 ℃/min；400-500 ℃，1 ℃/min；500-1000 ℃為2 ℃/min，100 ℃保溫1 h，1000 ℃到目標(biāo)溫度為5 ℃/min，目標(biāo)溫度保溫1 h。

1.3 復(fù)合材料的表征

利用試樣燒結(jié)前后的長(zhǎng)度變化測(cè)試其燒結(jié)收縮率，評(píng)定復(fù)合材料的燒結(jié)程度。

利用阿基米德排水法測(cè)試復(fù)合材料的體積密度。

采用Instron3382萬(wàn)能電子實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，樣品尺寸為 3 mm×4 mm×36 mm。測(cè)試時(shí)兩點(diǎn)間的跨距為27 mm，加載速率為5 mm/ min，每種試樣測(cè)試4次，取平均值。三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中 ，σb3為三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，MPa；F為試樣斷裂時(shí)的最大載荷，N；L為試樣支座間距離，mm；b為試樣寬度，mm；H為試樣厚度，mm。

斷裂韌性測(cè)試采用單邊切口梁法，在Instron3382萬(wàn)能電子實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行, 樣品尺寸為3 mm×5 mm×25 mm, 中間有寬0.2 mm, 深2.5 mm的凹痕。

采用華銀HV-5小負(fù)荷維氏硬度計(jì)測(cè)試復(fù)合材料的硬度。將復(fù)合材料的測(cè)試面拋光至鏡面，粗糙度 0.1 。每個(gè)試樣的表面取2-3個(gè)點(diǎn)各測(cè)一次，取其所測(cè)硬度的平均值。不同點(diǎn)之間距離約為10個(gè)壓痕寬度。測(cè)試條件：壓頭在試驗(yàn)力F(0.2-5 kg)的作用下，在試樣表面壓出一個(gè)四方錐形的壓痕，經(jīng)規(guī)定時(shí)間(常為10-15 s)后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量得出壓痕對(duì)角線平均長(zhǎng)度d，d=(d1+d2)/2 ，用以計(jì)算壓痕的表面積。維氏硬度值(H)即為試驗(yàn)力除以壓痕面積S的商，計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)為試驗(yàn)力，kg；d為壓痕對(duì)角線平均長(zhǎng)度，mm；H 維氏硬度，GPa。

采用日本Jeol公司的JSM-6700F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料的斷面形貌；

表2 空氣下，五種材料在不同溫度燒結(jié)時(shí)所得復(fù)合材料的收縮率數(shù)據(jù)Tab.2 Shrinkage data of fi ve samples sintered at different temperatures in air

表3 為1600 ℃燒結(jié)時(shí)，五種材料在不同氣氛下所得復(fù)合材料的收縮率數(shù)據(jù)Tab.3 Shrinkage data of fi ve samples sintered in different atmospheres

2 結(jié)果和討論

2.1 SiC含量及對(duì)復(fù)合材料收縮率的影響

表2為空氣下，五種材料在不同溫度燒結(jié)時(shí)所得復(fù)合材料的收縮率數(shù)據(jù)。從表中可以看出，不同溫度下，復(fù)合材料的燒成收縮率均隨SiC含量的增加其收縮率呈下降趨勢(shì)。這可能是受兩方面因素的影響。一方面，SiC的線膨脹系數(shù)(5.2×10-6/℃)小于Al2O3的線膨脹系數(shù)(7.6×10-6/℃)[4]，在復(fù)合材料的冷卻的過(guò)程中，SiC晶粒收縮率小于Al2O3晶粒的收縮率，從而導(dǎo)致隨SiC含量的增加收縮率下降；另一方面，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用熔融Si包覆SiC顆粒以阻止其氧化，但也可能存在Si未能完全包覆SiC顆粒，從而導(dǎo)致其發(fā)生氧化生成SiO2和氣相產(chǎn)物。Si和SiC氧化生成的SiO2可與Al2O3生成莫來(lái)石相，促進(jìn)Al2O3基體的燒結(jié)和收縮[18,19]，而氣相產(chǎn)物則對(duì)復(fù)合材料的致密化有阻礙作用。復(fù)合材料的燒成收縮率SiC含量的增加其收縮率呈下降趨勢(shì)是上述兩種因素共同作用的結(jié)果。

同時(shí)，可以看出，1600 ℃燒結(jié)后復(fù)合材料的收縮率顯著高于其它兩個(gè)溫度所得相應(yīng)復(fù)合材料的收縮率。故而，下一步的研究中，采用1600 ℃作為研究對(duì)象，探討燒結(jié)氣氛對(duì)復(fù)合材料收縮率的影響。

2.2 燒結(jié)氣氛對(duì)復(fù)合材料收縮率的影響

表3為1600 ℃燒結(jié)時(shí)，五種材料在不同氣氛下所得復(fù)合材料的收縮率數(shù)據(jù)。從表中可以看出，無(wú)論是氧化氣氛、惰性氣氛，還是還原氣氛下，復(fù)合材料的收縮率都隨著SiC含量的增加而減小，但在SiC含量最少的S-1中，三種燒結(jié)氣氛的收縮率相差很?。辉?個(gè)配方中，氧化氣氛下，復(fù)合材料的燒成收縮率在SiC含量為零的時(shí)候較高，而當(dāng)添加SiC后，惰性氣氛下復(fù)合材料的收縮率要大于氧化氣氛和還原氣氛時(shí)的收縮率。這可能是因?yàn)锳l2O3材料是由陰離子擴(kuò)散速率控制燒結(jié)過(guò)程，因此氧化氣氛抑制了O2-的擴(kuò)散；而在還原氣氛下，由于CO和CO2是大分子氣體，雖然促進(jìn)了O2-的擴(kuò)散，在氧化物晶格內(nèi)不易擴(kuò)散導(dǎo)致最終殘留在坯體中，也影響了其收縮率的降低[20]。

考慮到實(shí)際生產(chǎn)的連續(xù)性以及成本問(wèn)題，本研究將集中于探討氧化性氣氛下復(fù)合材料的燒結(jié)行為及其強(qiáng)韌化方式，為該類(lèi)防彈陶瓷的規(guī)?；a(chǎn)提供部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.3 不同SiC含量對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度及硬度的影響

不同SiC含量對(duì)復(fù)合材料體積密度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性及維氏硬度的影響如表4所示。從表中可以看出，添加一定量SiC顆粒，所得復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性及維氏硬度都呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)：先增大，后減小。當(dāng)SiC添加量為4%時(shí)，復(fù)合陶瓷的體積密度為3.75 g·cm-3，抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性及維氏硬度均達(dá)到最大值，分別為480 MPa、5.12 MPa·m1/2、16.2 GPa。從2.1的分析可知，影響復(fù)合材料致密度有兩方面的原因，SiC顆粒本身會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的致密度下降，而其氧化形成的產(chǎn)物以及Si的添加可以導(dǎo)致復(fù)合材料致密度增加，故而力學(xué)性能最高的復(fù)合材料為SiC添加量為4%時(shí)。

文獻(xiàn)研究表面，在1100-1400 ℃，SiC和Si的氧化產(chǎn)物SiO2可與Al2O3生成莫來(lái)石相，在燒結(jié)過(guò)程作為液相可大大促進(jìn)Al2O3的燒結(jié)[13]。相比惰性氣氛下常用的1700 ℃以上的燒結(jié)溫度[21]，采用1600 ℃的較低溫度下可實(shí)現(xiàn)Al2O3復(fù)合材料較致密化的燒結(jié)。

表4 不同添加量的SiC/Al2O3納米復(fù)相陶瓷的主要性能數(shù)據(jù)Tab.4 Physical and mechanical properties of SiC/Al2O3composites with different SiC content

圖1 S-0 和S-2兩種復(fù)合材料的微觀形貌照片F(xiàn)ig.1 SEM images of two composites

2.4 SiC添加對(duì)復(fù)合材料的微觀形貌的影響

圖1分別為S-0、S-2兩者復(fù)合材料的斷面SEM圖。從圖1a和l圖1b中可以看，基體Al2O3燒結(jié)的較為致密，顆粒呈類(lèi)板狀結(jié)構(gòu)，直徑約為3-5 μm，厚度約為1 μm，屬于典型的固相燒結(jié)。而添加SiC后所得復(fù)合材料的顆粒為橢圓狀，粒徑為2 μm左右，分布較為均勻，顆粒與顆粒之間結(jié)合緊密，不存在明顯的孔隙(圖1c和圖1d)。復(fù)合材料顆粒形狀的改變可能是因?yàn)闊Y(jié)機(jī)理發(fā)生變化所導(dǎo)致的。

同時(shí)從圖1d可以看出，Al2O3顆粒的晶界處存在一些白點(diǎn)，能譜分析其為SiC，粒徑在500-50 nm之間?？梢?jiàn)雖然采用Si熔融包覆SiC以及SiC氧化生成的SiO2膜可以大大減緩SiC的進(jìn)一步氧化，但莫來(lái)石的析晶將破壞保護(hù)膜的致密性，導(dǎo)致SiC的重新氧化和莫來(lái)石的析晶同步進(jìn)行，直到燒結(jié)階段結(jié)束[17]。這一方面導(dǎo)致SiC的粒徑從微米降低到納米，也導(dǎo)致復(fù)合材料出現(xiàn)液相燒結(jié)這一過(guò)程。由于納米SiC顆粒位于Al2O3晶界處， 高硬度的SiC顆粒鑲嵌在兩個(gè)相連的Al2O3晶粒之間, 形成了Al2O3- SiC-Al2O3搭橋聯(lián)結(jié)的晶界，提高晶界強(qiáng)度,導(dǎo)致裂紋只能在晶內(nèi)傳播，這也是復(fù)合材料具有較高硬度、斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度的原因[15]。

3 結(jié) 論

(1)SiC含量的增加導(dǎo)致復(fù)合材料的收縮率降低，不同溫度下，復(fù)合材料的燒成收縮率均隨SiC含量的增加其收縮率呈下降趨勢(shì)。氧化氣氛下，復(fù)合材料的燒成收縮率在SiC含量為零的時(shí)候最高，而當(dāng)添加SiC后，惰性氣氛下復(fù)合材料的收縮率要大于氧化氣氛和還原氣氛時(shí)的收縮率。

(2)在氧化性氣氛下燒結(jié)時(shí)，當(dāng)SiC添加量為4%時(shí)，復(fù)合陶瓷的體積密度為3.80 g·cm-3，抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性及維氏硬度均達(dá)到最大值，分別為480 MPa、4.82 MPa·m1/2、16.2 GPa。

(3)添加SiC后所得復(fù)合材料的基體顆粒為橢圓狀，粒徑為2 μm左右，分布較為均勻，顆粒與顆粒之間結(jié)合緊密，復(fù)合材料顆粒形狀的改變可能是因?yàn)闊Y(jié)機(jī)理發(fā)生變化所導(dǎo)致的。SiC顆粒位于晶界處，形成了由Al2O3- SiC - Al2O3搭橋聯(lián)結(jié)的晶界，提高晶界強(qiáng)度, 導(dǎo)致裂紋只能在晶內(nèi)傳播，這也是復(fù)合材料具有較高硬度、斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度的原因。

[1] 孫志杰, 吳燕, 張佐光, 仲偉虹, 沈建明. 防彈陶瓷的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 宇航材料工藝, 2000, 5: 10-14, 24.

[2] 黃良釗. 抗彈陶瓷的特殊耗能機(jī)制研究[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2001, 24(5): 3-6.

[3] 黃良釗, 張安平. 剛玉系抗彈陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)與性能研究[J].功能材料, 2003, 34(3): 288-290.

[4] 肖漢寧, 高朋召. 高性能結(jié)構(gòu)陶瓷及其應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006, 4. 273-287.

[5] HUANG Shanshan, ZHOU Wancheng, LUO Fa, et al. Mechanical and dielectric properties of short carbon fiber reinforced Al2O3composites with MgO additive. Ceramics International, 2014, 40(2): 2785-2791.

[6] LEE D Y, YOON D H. Properties of alumina matrix composites reinforced with SiC whisker and carbon nanotubes. Ceramics International, 2014, 40(9): 14375-14383.

[7] YANG Chenhui, WANG Fen, ZHU Jianfeng, et al. Synthesis, microstructure and mechanical properties of (Ti,W)3AlC2/Al2O3composites by in situ reactive hot pressing. Materials Science and Engineering: A, 2014, 610: 154-160.

[8] AL-DHEYLAN K A. The low velocity impact loading of Al2O3/ SiC whisker reinforced ceramic composite. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 155-156: 1986-1994.

[9] 喇培清, 盧學(xué)峰, 劉雪梅, 張秀萍. 熱壓溫度和時(shí)間對(duì)Fe3Al/ Al2O3納米復(fù)相陶瓷結(jié)構(gòu)和性能的影響[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2010, 38(5): 843-849.

[10] 張大海, 楊輝, 闞紅華, 翁文劍, 葛曼珍. Al2O3/ SiC( p) 復(fù)合陶瓷力學(xué)性能研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版), 1997, 31(5): 606-613.

[11] 王零森. 特種陶瓷[M]. 長(zhǎng)沙: 中南工業(yè)大學(xué)出版社, 2005.

[12] 龔紅宇, 尹衍升, 王昕, 李嘉, 張金生, 譚訓(xùn)彥. 氧化鋁納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2002, 32(4): 327-332.

[13] 陳玉柏, 范景蓮, 田家敏, 銀銳明. Al2O3基納米復(fù)合陶瓷的研究最新進(jìn)展[J]. 粉末冶金技術(shù), 2007, 25(6): 459-469.

[14] 張延峰, 郝春成. 納米Ni3Al/ Al2O3復(fù)合陶瓷的制備及性能[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，31(2)： 144-147.

[15] 韓亞苓, 線全剛, 蔣玉齊, 戰(zhàn)可濤, 李家麟, 梁勇. 無(wú)壓燒結(jié)Al2O3/ SiC納米復(fù)相陶瓷的研究[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2001, 29 (1): 76-79.

[16] PARCHOVIANSKYM, GALUSEK D, SEDLACEK J, et al. Microstructure and mechanical properties of hot pressed Al2O3/ SiC nanocomposites. Journal of the European Ceramic Society, 2013, 33: 2291～2298.

[17] 蔡舒, 彭珍珍, 馮杰, 魯楓, 李鴻祥, 陳玉如. 常壓燒結(jié)制備Al2O3/SiC納米復(fù)合陶瓷及其顯微結(jié)構(gòu)的研究[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2004, 27(5): 10-13，72.

[18] 王大磊, 李瑞鋒, 陳涵, 郭露村. 燒結(jié)氣氛對(duì)SiC/Al2O3復(fù)相陶瓷力學(xué)性能與抗熱震性的影響[J]. 陶瓷學(xué)報(bào), 2014, 34(3): 409－414.

[19 張昕.微波燒結(jié)SiC/Al2O3復(fù)合材料研究[D]. 鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2103. 04.

[20] 尹衍升, 張景德著. 氧化鋁陶瓷及其復(fù)合材料[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2001.

[21] SHI X L, XU F M, ZHANG Z J, et al. Mechanical properties of hot-pressed Al2O3/SiC composites. Materials Science and Engineering: A, 2010, 527: 4646-4649.

Preparation, Characterization and Mechanical Properties of Nano-SiC Toughened Al2O3Matrix Composites

GAO Pengzhao1,2, YAN Jin1, LIN Mingqing1, GAO Bo1, WU Chuanqing1, XIAO Hanning2
(1. Hunan Zhongtai Special Equipment Co., Ltd., Lilin, 415211, Hunan, China; 2. College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan, China)

Nano-SiC toughened Al2O3matrix composites were prepared using pressureless sintering method, in which SiC and Si micron powders were used as additives. Influence of SiC content, sintering atmosphere and sintering temperature on the shrinkage rate, microstructure, fl exural strength, hardness and fracture toughness of the Al2O3matrix composites was studied. Results showed that addition of SiC resulted in a reduction of shrinkage rate for composites, and the shrinkage rate of composites obtained in an inert atmosphere was higher than that of the composites obtained in both oxidized and reduced atmospheres. When the SiC content was equal to 4%, the volume density of the composites was 3.80 g?cm-3, their fl exural strength, Vickers hardness and fracture toughness reached the maximum, i.e., 480 MPa, 5.12 MPa?m1/2, 16.2 GPa, respectively. Their particles were oval in shape with a size of about 2 μm and combined compactly with each other. A change of particle shape from plate to oval may have derived from the alternation of sintering mechanism. Nano SiC particles, which existed in Al2O3crystals and formed Al2O3-SiC-Al2O3bridges, resulted in a transcrystalline rupture of composites.

nano SiC; Al2O3matrix composites; mechanical properties; toughness

TQ174.75

A

1006-2874(2014)05-0010-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2014.05.003

2014-08-11。

2014-08-13。

國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：51372078)；湖南省常德市科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2014PT04)。

高朋召，男，博士，副教授。

Received date: 2014-08-11. Revised date: 2014-08-13.

Correspondent author:GAO Pengzhao, male, Ph.D., Associate Professor.

E-mail:gaopengzhao7602@hnu.edu.cn