SiC基陶瓷的致密化与力学性能提升研究

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碳化硅(SiC)陶瓷具有低密度、高硬度、高强度和高温稳定性好等优良特性,被广泛应用于汽车、机械和冶金工业领域。然而,SiC陶瓷存在较难致密化和断裂韧性低等问题,限制了其应用。针对上述问题,本文通过调控SiC陶瓷厚度、引入玻璃烧结助剂、添加高熵碳化物和高熵硼化物作为第二相等手段,并结合放电等离子烧结(SPS),开展了SiC陶瓷物相组成、致密化、显微结构和力学性能研究,以期进一步改善SiC陶瓷的致密化和力学性能。具体研究内容和结果如下:(1)以纳米SiC粉体为原料,以Al2O3-Ce O2作为烧结助剂,在不同温度(1700℃、1800℃和1900℃)下制备了不同厚度(50μm、100μm、500μm和2000μm)的SiC陶瓷,研究了厚度对物相组成、致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明,SiC陶瓷的烧结致密化存在明显的尺寸效应,厚度较薄(50μm)的SiC陶瓷可以在1700℃实现致密化,而当厚度增加到2000μm时,需要在1900℃才能实现致密化,降低SiC陶瓷的厚度可以降低烧结温度,改善致密化。烧结温度为1700℃时,厚度为50μm的SiC陶瓷由于具有较高的致密度,纳米压痕硬度已达到24.8±1.9 GPa,显著高于厚度2000μm的SiC陶瓷的纳米压痕硬度(10.4±1.5 GPa)。当烧结温度提高到1900℃时,尽管所有样品均实现致密化,但厚度为50μm的SiC陶瓷具有较细的晶粒尺寸,纳米压痕硬度为30.6±1.4 GPa,高于厚度2000μm的SiC陶瓷的纳米压痕硬度(24.7±1.2GPa)。(2)以Y2O3-Al2O3-SiO2和CaO-Al2O3混合粉体经熔融淬火法制成的玻璃粉体为烧结助剂,并与传统的Y2O3-Al2O3-SiO2和CaO-Al2O3体系混合粉体直接作为烧结助剂进行对比,研究了两种形式的烧结助剂对1900℃制备SiC陶瓷相组成、致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明,当烧结助剂引入形式由传统混合粉体变为玻璃粉体时,在Y2O3-Al2O3-SiO2体系下SiC陶瓷的相对密度从95.3%提高到98.9%,维氏硬度从16.7±0.6 GPa提高到20.4±0.3 GPa;在CaO-Al2O3体系下SiC陶瓷的相对密度从94.3%增加到99.5%,维氏硬度从15.1±0.3 GPa增加到17.7±0.4 GPa。因此,以玻璃粉末作为烧结助剂可以显著改善SiC陶瓷致密化和硬度。(3)引入(Ti0.2Mo0.2Ta0.2Nb0.2Zr0.2)C高熵碳化物作为第二相,在2000℃制备SiC-(Ti0.2Mo0.2Ta0.2Nb0.2Zr0.2)C复相陶瓷,研究了(Ti0.2Mo0.2Ta0.2Nb0.2Zr0.2)C含量(0~20 wt%)对其相组成、致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明,随着(Ti0.2Mo0.2Ta0.2Nb0.2Zr0.2)C含量从0增加到15 wt%,SiC基复相陶瓷的致密度从96.7%提升至98.6%,维氏硬度从16.8±0.7 GPa提升到20.1±0.8 GPa,断裂韧性从3.97±0.44MPa·m1/2一定程度上增加到4.27±0.11 MPa·m1/2。然而,进一步增加含量到20 wt%,SiC基复相陶瓷的致密度降低到97.7%,维氏硬度降低到18.6±0.8 GPa,断裂韧性降低到4.16±0.32 MPa·m1/2。因此,引入适量的(15 wt%)高熵碳化物可以改善SiC陶瓷致密化,并提升其硬度。(4)引入(Hf0.2Mo0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)B2高熵硼化物作为第二相,在1900℃制备SiC-(Hf0.2Mo0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)B2复相陶瓷,研究了(Hf0.2Mo0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)B2含量(0~20 wt%)对其相组成、致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明,随着(Hf0.2Mo0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)B2含量从0增加到15 wt%,SiC基复相陶瓷的致密度从96.3%增加到99.1%,维氏硬度从16.6±0.6 GPa增加到21.9±0.7 GPa,断裂韧性从3.10±0.39MPa·m1/2增加到4.88±0.48 MPa·m1/2。然而,进一步增加含量到20 wt%,SiC基复相陶瓷的致密度降低到98.5%,维氏硬度降低到21.7±0.9 GPa,断裂韧性降低到4.16±0.32MPa·m1/2。因此,引入适量的(15 wt%)高熵硼化物可以改善SiC陶瓷致密化,提升硬度和断裂韧性。
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