劉國(guó)璽，李克智，高曉菊，張 叢，常永威，孟全勝，曲發(fā)增

(1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安710072；2.中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所煙臺(tái)分所，山東 煙臺(tái) 264003；3.總裝備部裝甲駐濟(jì)南地區(qū)軍代室，山東 濟(jì)南 250000）

造粒粉體對(duì)SiC陶瓷力學(xué)性能及微觀組織的影響

劉國(guó)璽1, 2，李克智1，高曉菊1, 2，張 叢2，常永威2，孟全勝2，曲發(fā)增3

(1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安710072；2.中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所煙臺(tái)分所，山東 煙臺(tái) 264003；3.總裝備部裝甲駐濟(jì)南地區(qū)軍代室，山東 濟(jì)南 250000）

摘 要：采用無(wú)壓燒結(jié)法制備SiC陶瓷，研究了4種不同SiC造粒粉對(duì)陶瓷燒結(jié)體力學(xué)性能的影響，采用激光粒度儀檢測(cè)了不同造粒粉體的粒度，利用SEM觀察了不同造粒粉體及燒結(jié)體的微觀形貌。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同造粒粉對(duì)SiC陶瓷力學(xué)性能的影響差異較大，其中，由SiC-1造粒粉制得的陶瓷燒結(jié)體力學(xué)性能最佳，彎曲強(qiáng)度為318 MPa，洛氏硬度為94.0 HRA，密度為3.1367 g/cm3。結(jié)合微觀組織分析可知，SiC-1造粒粉粒徑較小，制得的陶瓷燒結(jié)體氣孔較小且裂紋較少，基本無(wú)游離Si和游離C存在，綜合性能較好。

關(guān)鍵詞：無(wú)壓燒結(jié)；SiC陶瓷；力學(xué)性能；顯微結(jié)構(gòu)

通信聯(lián)系人：劉國(guó)璽(1979-)，男，副研究員。

Correspondent author:LIU Guoxi(1979-), male, Associate professor.

E-mail:326LGX@163.com

0　引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)特種車輛的生存和防護(hù)能力提出了更高的要求，不僅要求具有良好的防護(hù)能力，更要具備高機(jī)動(dòng)性和輕量化的性能[1-2]。工程陶瓷以其低密度、高硬度和高強(qiáng)度成為優(yōu)異的裝甲防護(hù)材料[3-4]。目前應(yīng)用廣泛的陶瓷裝甲材料主要有Al2O3、B4C和SiC等，3種材料相比，SiC 陶瓷的抗彈性能介于Al2O3與B4C之間，密度和成本居中，而彈性模量較高，因此，SiC 陶瓷將是今后非常有應(yīng)用前景的裝甲陶瓷材料[5-6]。

目前常用的SiC陶瓷燒結(jié)工藝有無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)等，其中熱壓燒結(jié)成本較高，不利于批量化生產(chǎn)；反應(yīng)燒結(jié)雖然具有工藝簡(jiǎn)單和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但反應(yīng)燒結(jié)SiC的硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性能不能滿足某些特殊應(yīng)用的需求；與之相比，無(wú)壓燒結(jié)SiC彌補(bǔ)了熱壓燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)的不足[7]，很好地滿足了某些特殊應(yīng)用的需求。噴霧造粒[8]因其具備諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛用于先進(jìn)陶瓷粉料的制備，如SiC、Al2O3[9]、Mg - PSZ、Y-TZP[10]造粒粉等。造粒粉性能的不同將直接影響到陶瓷燒結(jié)體的性能，進(jìn)而影響到陶瓷的工程化應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)SiC造粒粉的粒度及微觀組織分析，系統(tǒng)地研究了不同造粒粉對(duì)SiC陶瓷力學(xué)性能及微觀組織的影響。

圖1　工藝流程圖Fig.1 Process for obtaining SiC ceramics

表1　SiC粉造粒粒度分析數(shù)據(jù)Tab.1 Particle sizes of SiC powders

1　試 驗(yàn)

1.1SiC陶瓷的制備

將4種不同的SiC造粒粉SiC-1、SiC-2、SiC-3 和SiC-4置于磨具中，經(jīng)110 MPa干壓成型，制得SiC陶瓷素坯，將制好的素坯放于高溫真空爐(TAV451)內(nèi)，在Ar保護(hù)氣氛中，在2050 ℃×2 h下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。

工藝流程圖如圖1所示。

1.2性能表征及測(cè)試

采用Archimedes 法測(cè)定燒結(jié)體密度；采用掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)S-4800觀察不同SiC造粒粉形貌及燒結(jié)體斷面形貌；采用Mastersizer2000激光粒度檢測(cè)儀進(jìn)行粒度檢測(cè)；彎曲強(qiáng)度測(cè)試方法采用國(guó)標(biāo)GB/T6569-2006三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)法，測(cè)試設(shè)備為CMT5303萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)；洛氏硬度計(jì)HR-150A測(cè)試樣硬度。

2　結(jié)果與分析

2.1不同造粒粉粒徑及形貌分析

表1為 SiC-1、SiC-2、SiC-3和SiC-4造粒粉的粒徑及比表面積對(duì)比結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可以看出，SiC-1粉體粒徑相對(duì)較小，平均粒徑為45.637μm，比表面積為0.185 m2/g；SiC-2粉體粒徑較大，粉體平均粒徑為119.015μm，但兩種粉體的粒徑都分布在1-230μm之間，粉體粒徑分布較寬。SiC-3和SiC-4的粉體粒徑居中，平均粒徑分別為81.844μm和77.584μm，但粉體粒徑分布范圍較窄，主要分布在20-160μm之間。

圖2為不同造粒粉的微觀形貌圖。由圖可知，與上述粒度分布相對(duì)應(yīng)，微米粉體的粒徑分布范圍較廣，既有細(xì)小顆粒，又有大顆粒。而微米粉體粒徑的分布就相對(duì)集中，粉體微觀形貌分析粉體粒徑基本與激光粒度儀所測(cè)結(jié)果相一致。SiC-1造粒粉粒徑最小，SiC-2造粒粉粒徑最大，SiC-3和SiC-4造粒粉粒徑居中。雖然SiC-1粉體最細(xì)，但也存在一些大顆粒和不規(guī)則形狀粉體，并且顆粒表面較粗糙。SiC-2的粉體較粗，但是較均勻且形貌完好，破損顆粒較少。SiC-3和SiC-4的粉體相對(duì)比較細(xì)且大小均一，存在一定量的破損顆粒，顆粒表面相比SiC-2的粉體表面略顯粗糙。

圖2　不同粉造粉微觀形貌圖Fig.2 SEM images of different granulated SiC powders

圖3　不同造粒粉經(jīng)成型、燒結(jié)后燒結(jié)體的彎曲強(qiáng)度Fig.3 Flexural strength of sintered SiC samples from different granulated powders

圖4　不同造粒粉經(jīng)成型、燒結(jié)后燒結(jié)體的硬度Fig.4 Hardness of sintered SiC samples from different granulated powders

2.2不同造粒粉制備的陶瓷力學(xué)性能

圖3、圖4和圖5分別為2050 ℃×2 h的燒結(jié)條件下，由不同SiC造粒粉制得陶瓷燒結(jié)體的彎曲強(qiáng)度、硬度和密度結(jié)果。

由圖3、圖4和圖5數(shù)據(jù)可知，在2050 ℃×2 h的燒結(jié)條件下，不同造粒粉經(jīng)成型、燒結(jié)制得的燒結(jié)體力學(xué)性能和密度差別較大。其中，SiC-1造粒粉制得的燒結(jié)體彎曲強(qiáng)度最高， SiC-3制得的燒結(jié)體彎曲強(qiáng)度最低。SiC-1造粒粉制備出的陶瓷燒結(jié)體彎曲強(qiáng)度、硬度及密度分別為318 MPa，94.0以及3.1367 g/cm3；SiC-3造粒粉制備出的陶瓷燒結(jié)體彎曲強(qiáng)度、硬度及密度分別為245 MPa，93.0以及3.1292 g/cm3。綜合比較，SiC-1造粒粉制備出的陶瓷性能最佳。結(jié)合粒徑測(cè)試結(jié)果，分析得出，由于SiC-1造粒粉粒徑最小，根據(jù)細(xì)晶強(qiáng)化理論，因此其力學(xué)性能較好；雖然SiC-2的粉體較粗，但是較均勻且形貌完好，破損顆粒較少，而SiC-3和SiC-4造粒粉存在一定量的破損顆粒，顆粒表面相對(duì)SiC-2的粉體表面略顯粗糙，因此經(jīng)過(guò)成型燒結(jié)后會(huì)存在一定的缺陷，使得強(qiáng)度較低，致密性較差，進(jìn)而硬度相對(duì)也較低。

圖6　不同造粒粉制備的SiC陶瓷SEM圖Fig.6 SEM images of sintered SiC ceramc samples from different granulated powders

3.3不同造粒粉制備的燒結(jié)體顯微形貌分析

圖6所示為不同造粒粉，經(jīng)成型、燒結(jié)得到的燒結(jié)體顯微形貌，由圖可知：4種不同SiC造粒粉制得的陶瓷燒結(jié)體均存在一定的氣孔，其中，SiC-1和SiC-2造粒粉制得的SiC陶瓷，氣孔小且裂紋較少，致密性較高，力學(xué)性能較好，而SiC-3 和SiC-4造粒粉制得的SiC陶瓷，氣孔較大且裂紋多，力學(xué)性能較差?？傮w來(lái)看，SiC-1和SiC-2粉體制備的SiC陶瓷的致密度最好，SiC-3和SiC-4粉體制備的SiC陶瓷致密度相較差一些。

圖6中A、B、C、D四個(gè)區(qū)域的能譜分析結(jié)果見圖7。由圖7可知：4種陶瓷燒結(jié)體中均含有少量O，并且由于粉體制備過(guò)程的差異，使得粉體中元素比存在一定差異性。SiC-1和SiC-2造粒粉制備的陶瓷燒結(jié)體，C/Si原子比均小于1，說(shuō)明有部分游離Si存在，Si為脆性相，強(qiáng)度近乎為0，而SiC-1 的C/Si原子比更接近于1，因而SiC-2造粒粉制備的陶瓷燒結(jié)體強(qiáng)度小于SiC-1。SiC-3和SiC-4造粒粉制備的陶瓷燒結(jié)體，C/Si原子比遠(yuǎn)大于1，說(shuō)明有部分游離C存在，致使SiC燒結(jié)體的性能急劇下降。這個(gè)現(xiàn)象也與上述實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度、硬度和密度等力學(xué)性能相對(duì)應(yīng)。

圖7　不同造粒粉制備的SiC陶瓷能譜圖Fig.7 EDS spectra of sintered SiC ceramic samples from different granulated powders

3　結(jié) 論

(1)不同SiC造粒粉經(jīng)成型和燒結(jié)制得的陶瓷燒結(jié)體力學(xué)性能和密度差別較大，其中， SiC-1陶瓷燒結(jié)體的力學(xué)性能最佳，彎曲強(qiáng)度達(dá)318 MPa，洛氏硬度為94.0 HRA，密度為3.1367 g/cm3，SiC-3陶瓷燒結(jié)體的力學(xué)性能最差。

(2)依據(jù)4種不同造粒粉粒徑對(duì)比結(jié)果，SiC-1造粒粉粒徑較小且均勻，說(shuō)明粒徑小有助于力學(xué)性能的提高。

(3)SiC-1和SiC-2造粒粉制得的SiC陶瓷燒結(jié)體，氣孔小且裂紋少，致密度高，力學(xué)性能較好，而SiC-3和SiC-4制備的SiC陶瓷燒結(jié)體，氣孔大且裂紋多，力學(xué)性能較差。

(4)SiC陶瓷燒結(jié)體中C/Si原子比小于1，其性能要優(yōu)于C/Si原子比大于1的情況，C/Si原子比越接近于1，其力學(xué)性能越高。相比之下，SiC-1的性能最高。

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date: 2014-11-04. Revised date: 2015-01-25.

Effect of Granulated Powders on Mechanical Properties and Microstructure of SiC Ceramics

LIU Guoxi1, 2, LI Kezhi1, GAO Xiaoju1, 2, ZHANG Cong2, CHANG Yongwei2, MENG Quansheng2, QU Fazeng3
(1. National Key Laboratory of Thermostructure Composites Materials, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi, China; 2. No. 52 Institute of China North Industry Group, Yantai 264003, Shandong, China; 3. Representative
Office of the General Equipment Department Armored in Ji'nan Area, Jinan 250000, Shandong, China)

Abstract:Pressureless sintering has been used to prepare SiC ceramics, and the effect of four kinds of granulated powders on the mechanical properties of sintered SiC body has been studied. Laser particle sizer has been used to detect the particle size, the microstructure of different powders and the sintered body has been observed by SEM. The results show that different granulated powders of SiC obviously affect the mechanical properties of the sintered SiC body. The sintered body obtained from granulated SiC-1 powders is the optimum with the flexural strength of 318 MPa, the hardness of 94.0 HRA and the density of 3.1367 g/cm3. Combined with the microstructure analysis, the sintered body prepared from granulated SiC-1 powders has better properties because of smaller pores and fewer cracks and no free Si and C, as well as the finer size of the granulated powders.

Key words:pressureless sintering; SiC ceramic; mechanical properties; microstructure

中圖分類號(hào)：TQ174.75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-2278(2015)03-0250-06

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.03.007

收稿日期：2014-11-04。

修訂日期：2015-01-25。

基金項(xiàng)目：國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：A0920132020)。