Si-,3-N-,4--BN可加工陶瓷的放電等離子燒結(jié)及其力學(xué)性能研究.pdf

1、Si3N4陶瓷由于具有耐高溫、高硬度、高強(qiáng)度、耐磨、抗腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用中取得了令人矚目的成就，但其固有的脆性和高硬度導(dǎo)致的難以在燒成后進(jìn)行機(jī)械加工的問(wèn)題限制了它的進(jìn)一步使用。根據(jù)陶瓷加工的材料去除原理，通過(guò)相應(yīng)的組分設(shè)計(jì)和熱處理工藝，可控制材料的顯微結(jié)構(gòu)及晶界應(yīng)力，使陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生弱結(jié)合面，從而獲得可加工性能。Si3N4/BN復(fù)相陶瓷是目前綜合性能最為突出的一類(lèi)可加工陶瓷，擁有優(yōu)異的高溫和低溫強(qiáng)度、抗蠕變性能、抗熱震性能、

2、出色的耐熔融金屬腐蝕性能等。但目前存在的問(wèn)題是：采用熱壓燒結(jié)可以得到強(qiáng)度和可加工性較好結(jié)合的Si3N4/BN復(fù)相陶瓷，但熱壓燒結(jié)能耗高、周期長(zhǎng)，不具備生產(chǎn)的潛力；采用無(wú)壓燒結(jié)制備的Si3N4/BN復(fù)相陶瓷強(qiáng)度過(guò)低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和可加工性的統(tǒng)一。本文采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)制備Si3N4/BN復(fù)相陶瓷，在極大提高燒結(jié)效率的同時(shí)，保持可加工性，提高力學(xué)性能。研究了不同粒度的BN含量從0-40vo1％的高性能Si3N4/BN復(fù)相陶瓷。

3、系統(tǒng)研究Si3N4/BN復(fù)相陶瓷的相組成、顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并討論組分性質(zhì)和含量、燒結(jié)工藝參數(shù)、顯微結(jié)構(gòu)與其性能之間的相互關(guān)系。 工藝研究確定了SPS低溫快速燒結(jié)Si3N4/BN復(fù)相陶瓷的最佳致密化條件為：燒結(jié)溫度1600～1650℃，保溫時(shí)間5min，燒結(jié)壓力30MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著燒結(jié)溫度的升高(1500～1700℃)和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)(1-10min)，陶瓷的致密化程度有整體上升的趨勢(shì)，但溫度高于1600℃，保溫時(shí)間超

4、過(guò)5min時(shí)上升趨勢(shì)減緩，甚至有下降的趨勢(shì)。XRD結(jié)果顯示溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)有利于Si3N4中α→β相的轉(zhuǎn)變，BN含量越高，Si3N4中α相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟臏囟纫苍礁摺?掃描電鏡分析(SEM)結(jié)果顯示，BN的存在阻礙Si3N4/BN復(fù)相陶瓷的燒結(jié)，Si3N4/BN顯微組織中的β-Si3N4相明顯較單相Si3N4中的β-Si3N4相細(xì)小，而且BN含量越高細(xì)化作用越明顯。使用原位合成工藝得到的Si3N4/BN納米復(fù)相陶瓷的顯

5、微組織結(jié)構(gòu)較機(jī)械混合得到的含微米和亞微米BN的組織結(jié)構(gòu)更加細(xì)小，說(shuō)明降低引入BN尺寸的原位合成工藝有利于組織結(jié)構(gòu)細(xì)化。 低強(qiáng)度的h-BN的引入對(duì)材料的強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的劣化作用。隨著B(niǎo)N含量的增加，BN逐漸聚集生長(zhǎng)導(dǎo)致Si3N4/BN復(fù)相陶瓷強(qiáng)度總體均呈下降趨勢(shì)，但仍然維持在很高的強(qiáng)度水平上。材料能夠保持高強(qiáng)度主要取決于在SPS作用下徹底的Si3N4α→β相轉(zhuǎn)變、β-Si3N4晶粒充分長(zhǎng)大以及h-BN晶粒的均勻分布。在BN含量相同的

6、情況下，添加微米BN的Si3N4/BN復(fù)相陶瓷材料擁有最高的彎曲強(qiáng)度，在BN含量為30vol％時(shí)三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度高達(dá)897MPa。材料機(jī)械加工結(jié)果表明，當(dāng)BN含量大于20vol％時(shí)，所制備的Si3N4/BN復(fù)相陶瓷具有良好的機(jī)械可加工性能。 本文采用SPS制備的Si3N4/BN微米復(fù)相陶瓷所獲得的高強(qiáng)度已全面接近于國(guó)內(nèi)外采用化學(xué)包覆和熱壓燒結(jié)制備的Si3N4/BN納米復(fù)相陶瓷的最高強(qiáng)度水平，而且擁有同樣優(yōu)異的可加工性能。而借助SPS