Si3N4復合陶瓷的增韌方法及其機理研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,對材料性能的要求越來越高,在航空航天、核反應(yīng)堆等領(lǐng)域,高強、高硬以及具有良好的高溫力學性能的材料越來越被人們所重視,金屬材料的高溫性能難以滿足人們需求,特種陶瓷進入人們的視線。而陶瓷材料除了具有硬度高的特性外,還具有優(yōu)良的高溫性能,因此逐漸在一些高溫領(lǐng)域受到人們的重視。氮化硅是陶瓷材料中的優(yōu)秀代表,因其良好的高溫力學性能、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性以及很好的耐腐蝕性能,引起了人們的廣泛關(guān)注。
　　 眾所周知,陶瓷材

2、料雖然耐高溫、耐磨損和耐化學腐蝕等一系列優(yōu)良的性能,但是由于其致命的弱點——脆性,而限制了其優(yōu)良性能的發(fā)揮,因此也限制了它的應(yīng)用。為此,陶瓷材料的韌化便成為了近年來陶瓷材料的核心課題。到目前為止,已探討出若干種陶瓷韌化的途徑,并已取得了顯著的效果。陶瓷的韌化可分為兩類:一類是自增韌陶瓷,它是由燒結(jié)或熱處理等工藝使其微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部自生出增韌相(組分)。另一類是在試樣制備中加入第二相組元,以達到增韌的目的。
　　 本研究以氧化鋁和氧化

3、釔為燒結(jié)助劑,采用液相燒結(jié)的方法,并通過力學性能測試、電子顯微分析等一系列手法,研究了自增韌、第二相粒子增韌、相變增韌以及混合增韌等方面對氮化硅復合陶瓷材料的影響,以期提高氮化硅復合陶瓷材料的性能,從顯微結(jié)構(gòu)上對其進行調(diào)控,從而達到氮化硅材料的使用條件。
　　 本文主要分為兩大部分:氮化硅復合陶瓷材料的制備以及性能的檢測。主要研究結(jié)果如下:
　　 1.氮化硅復合陶瓷在燒結(jié)過程中,應(yīng)該埋粉燒結(jié),以免高溫時,氮化硅發(fā)生分解而

4、變成硅單質(zhì)。
　　 2.在自增韌陶瓷的力學性能研究中,加入棒狀β-Si3N4有利于長柱狀晶粒的形成和長大,進而調(diào)控材料的顯微結(jié)構(gòu),改善氮化硅復合陶瓷的強度和韌性。并且,隨著β-Si3N4含量的增加,Si3N4復合陶瓷材料顯微組織逐漸均勻化,致密度和力學性能均先增加后降低,當β-Si3N4含量達到40％時,陶瓷致密度和力學性能同時達到最大(此時致密度為93％,橫向斷裂強度為583.4MPa,斷裂韌性為5.42MPa.m.1/2)。

5、
　　 3.以MoSi2顆粒作為第二相材料對氮化硅材料進行增韌,結(jié)果顯示:隨著MoSi2含量的增加,氮化硅材料的致密度和抗彎強度同時減小,說明MoSi2并不能對氮化硅材料進行增韌。
　　 4以SiC顆粒作為增強相,研究了第二相粒子增韌對Si3N4復合陶瓷力學性能和顯微結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示:隨著SiC含量的增加,Si3N4復合陶瓷的相對密度和橫向斷裂強度同時下降。當SiC含量為0時,Si3N4復合陶瓷的相對密度和橫向斷裂強

6、度為最大值。說明,SiC相對Si3N4而言,是難燒結(jié)相,SiC的加入對復合材料的燒結(jié)起阻礙作用。
　　 5.以ZrO2顆粒作為增強相,研究了ZrO2含量對氮化硅復合陶瓷性能的影響。結(jié)果表明:隨著氧化鋯含量的增加,氮化硅復合陶瓷致密度增加;橫向斷裂強度和斷裂韌性先增加后減小,當ZrO2含量達到10％時,Si3N4的橫向斷裂強度和斷裂韌性同時達到最大值,分別為362MP和7.0MPa.m1/2。斷口形貌的顯微結(jié)構(gòu)觀察表明,韌性的提高