納米Si-,3-N-,4-基陶瓷復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、本研究以納米Si<,3>N<,4>粉末作為原料，采用熱壓燒結(jié)方法制備了納米Si<,3>N<,4>基陶瓷復(fù)合材料，運(yùn)用XRD、SEM、TEM、EDX等手段對(duì)材料的顯微組織進(jìn)行了分析，研究了TiC、TiN、WC等第二相顆粒以及碳納米管的添加對(duì)納米Si<,3>N<,4>陶瓷力學(xué)性能的影響。 首先，介紹了Si<,3>N<,4>陶瓷的組織性能、制備方法、增韌機(jī)理和發(fā)展趨勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上指出了本文研究的目的和意義。其次，介紹了納米Si<,3

2、>N<,4>基陶瓷復(fù)合材料的制備工藝、力學(xué)性能的測(cè)試方法以及顯微組織的表征方法。 研究發(fā)現(xiàn)，將納米Si<,3>N<,4>粉末進(jìn)行超聲分散，可以改善其分散狀況：加入適量的表面活性劑能改善納米Si<,3>N<,4>粉末的分散效果：分散體系的PH值也影響納米Si<,3>N<,4>粉末的分散效果。納米Si<,3>N<,4>陶瓷的主要組成相為α-Si<,3>N<,4>、β-Si<,3>N<,4>和Si<,2>N<,2>O，其組織由尺寸為1

3、00納米左右的晶粒絹成。納米Si<,3>N<,4>陶瓷的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性均隨α-Si<,3>N<,4>起始粉末含量的增加而先升后降，在其含量為40wt.％時(shí)達(dá)到最大值：硬度隨α-Si<,3>N<,4>起始粉末含量的增加而降低。 將TiC顆粒加入到納米Si<,3>N<,4>陶瓷中，在液相燒結(jié)過程中，TiC與Si<,3>N<,4>發(fā)生反應(yīng)，生成了TiC<,0.7>N<,0.3>。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，添加適量的TiC顆?？梢蕴岣呒{

4、米Si<,3>N<,4>陶瓷的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，當(dāng)TiC的添加量為10wt.％時(shí)，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性均達(dá)到最大值；納米Si<,3>N<,4>陶瓷復(fù)合材料的硬度隨TiC含量的增加而升高。 納米TiN顆粒與Si<,3>N<,4>基體之間有很好的化學(xué)相容性。添加適量的納米TiN顆粒可以明顯地提高納米Si<,3>N<,4>陶瓷的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性的最大值分別在納米TIN添加量為10wt.％和15wt.％獲得；納米T

5、iN顆粒的添加對(duì)納米Si<,3>N<,4>陶瓷的硬度影響不大。納米Si<,3>N<,4>-TiN陶瓷復(fù)合材料中的主要增韌機(jī)制為熱膨脹失配增韌和裂紋偏轉(zhuǎn)增韌。 納米Si<,3>N<,4>-WC陶瓷復(fù)合材料的硬度低于納米Si<,3>N<,4>陶瓷，但隨WC含量的增加而逐漸升高。適量WC顆粒的添加可以提高納米Si<,3>N<,4>陶瓷的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度，其最大值分別在WC添加量為4wt.％和8wt.％時(shí)獲得。 CNTs-Si

6、<,3>N<,4>納米陶瓷復(fù)合材料的相組成主要為α-Si<,3>N<,4>、β-Si<,3>N<,4>和Si<,2>N<,2>O，碳納米管在燒結(jié)過程中能保持良好的熱穩(wěn)定性。CNTS-Si<,3>N<,4>納米陶瓷復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性均隨碳納米管的含量的增加呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)，其最大值分別在CNTS含量為2wt.％和4wt.％時(shí)獲得。碳納米管含量為2wt.％時(shí)，硬度略有提高，然后隨碳納米管含量的繼續(xù)增加而逐漸降低。碳納米管增韌

7、納米氮化硅陶瓷材料的主要機(jī)制為碳納米管的拔出、橋聯(lián)和裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制。 納米氮化硅陶瓷的熱震行為符合Hasselman的經(jīng)典模型，起始粉末中適量α-Si<,3>N<,4>粉末的存在，能提高納米氮化硅的抗熱震性能。TiC顆粒的添加能改善納米Si<,3>N<,4>陶瓷的熱震抗力，添加了10wt.％TiC的納米氮化硅陶瓷復(fù)合材料的臨界溫差△Tc最高，熱震循環(huán)疲勞抗力最好。這是因?yàn)門iC的添加使裂紋產(chǎn)生鈍化、偏轉(zhuǎn)，消耗了更多的裂紋應(yīng)變能，對(duì)