Si-B-C-N機械合金化粉末及陶瓷的組織結(jié)構(gòu)與高溫性能.pdf

1、Si-B-C-N陶瓷因其具有低密度、高抗氧化性以及高抗蠕變性等優(yōu)點而在高溫結(jié)構(gòu)件，特別是航天器機頭錐帽、機翼前緣、舵面、蓋板和噴管等防熱部件等方面極具應(yīng)用潛力。而目前Si-B-C-N陶瓷仍主要采用有機先驅(qū)體方法制備，該方法極大限制了塊體Si-B-C-N系陶瓷及大尺寸構(gòu)件的制備，造成該系陶瓷抗彎強度、斷裂韌性、熱導(dǎo)率、比熱等性能參數(shù)仍處于空白狀態(tài)。為此，本文以c-Si、BN和C等多種粉末為原料，采用機械合金化的方法制備了Si-B-C-N粉

2、末。在此基礎(chǔ)上采用熱壓燒結(jié)(HP)和放電等離子燒結(jié)(SPS)法制備了Si-B-C-N系陶瓷。系統(tǒng)研究了球磨方式、原料種類、燒結(jié)方式、Si:C值等對Si-B-C-N粉末和陶瓷的組織與性能的影響規(guī)律，闡明了Si-B-C-N粉末和陶瓷的形成機制和高溫抗氧化機理。
　　Si-B-C-N粉末的機械合金化制備采用兩種球磨方式，即一步法和兩步法。一步法是指將所有原始粉末一起球磨20h，而兩步法是指將Si和C(摩爾比為1:1)首先球磨15h，隨后

3、加入剩余的BN和C后再球磨5h。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，Si、C、BN粉末高能球磨過程中發(fā)生相互反應(yīng)，生成納米SiC(3C和6H)和非晶的Si-B-C-N基體。粉末中的SiC晶體中存在大量的位錯、晶格扭曲等晶體缺陷。
　　采用c-Si、C、BN為原料分別經(jīng)一步法和兩步法球磨獲得的粉末熱壓燒結(jié)后制得陶瓷主要含SiC和BCN相，其中一步法獲得的陶瓷中SiC主要為6H-SiC型，而兩步法獲得的陶瓷中SiC多為3C-SiC型。采用兩步法制備了不

4、同Si、C元素含量和Si:C的Si-B-C-N系粉末，SPS燒結(jié)陶瓷主要含有3C-SiC和BCN。熱壓燒結(jié)Si-B-C-N陶瓷所含的6H-SiC和BCN中，主要缺陷種類為原子排列混亂區(qū)和位錯，而3C-SiC相中主要缺陷為孿晶。此外，陶瓷中還有少量的納米晶、非晶聚集區(qū)。對于SPS燒結(jié)的Si-B-C-N陶瓷，3C-SiC中主要缺陷為孿晶和原子排列混亂。在SPS燒結(jié)的陶瓷中也有非晶和納米晶聚集區(qū)，且面積要比熱壓燒結(jié)陶瓷的大，而且數(shù)量隨BCN相

5、含量的增加而增加。
　　與兩步法制備粉末再熱壓燒結(jié)的陶瓷相比，一步法制備粉末再熱壓燒結(jié)陶瓷室溫抗彎強度較低，高溫抗彎強度保持率卻最高。放電等離子燒結(jié)Si-B-C-N陶瓷的力學(xué)性能隨Si、C元素含量和Si:C的增加而增加。熱壓燒結(jié)和SPS燒結(jié)的Si-B-C-N陶瓷均表現(xiàn)出高的抗彎強度和斷裂韌性、低的彈性模量。其中SPS燒結(jié)的3Si-B-4C-N陶瓷的抗彎強度、斷裂韌性和彈性模量分別為511MPa、5.64MPa·m1/2和157GP

6、a。
　　熱壓燒結(jié)Si-B-C-N陶瓷熱膨脹系數(shù)同純SiC陶瓷的熱膨脹系數(shù)相近，約為4.5×10-6/℃，而SPS燒結(jié)Si-B-C-N陶瓷卻具有較低熱膨脹系數(shù)，其值隨Si、C元素含量和Si:C的降低而降低，如Si-B-2C-N陶瓷的熱膨脹系數(shù)為3.61×10-6/℃。
　　C-B-N鍵含量直接影響Si-B-C-N粉末與陶瓷的抗氧化性，含量高，抗氧化性高。Si-B-C-N粉末<500℃時失重，680℃后氧化發(fā)生增重，920℃氧