层状SiC复相陶瓷的制备与性能研究

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在各种先进结构陶瓷材料中,SiC陶瓷以其高强度、高硬度、低热膨胀系数、高导热性、良好的抗氧化性等优异性能而备受关注,但其韧性低、抗热震性能差限制了其广泛应用。本论文运用仿生学原理,通过流延-叠层成型工艺,分别使用反应烧结和热压烧结制备了层状SiC/BN复相陶瓷和层状SiC/Graphite复相陶瓷。对材料制备过程影响因素进行探讨;研究了液态渗硅对层状SiC/BN复相陶瓷性能的影响;并对层状SiC/Graphite复相陶瓷力学性能、抗氧化和抗热震性能进行分析研究。流延成型制备出陶瓷基片。研究表明,在水浴温度45℃、粘结剂含量25wt.%、料浆固相含量0.375g/ml、搅拌48h后的料浆适合流延,在加盖环境中对流延片干燥能够制备出表面光滑、缺陷较少的流延片。基体层与界面层交替叠层制备复相陶瓷坯体,在650℃下脱脂,粘结剂与增塑剂几乎全部排出,脱脂后原料依然保持完好结构。反应烧结制备出层状SiC/BN复相陶瓷,先1900℃热压烧结,然后1700℃渗硅反应,复相陶瓷基体层与界面层厚度约为400μm和40μm。研究了液态渗硅对材料性能的影响,复相陶瓷相对密度由渗硅前的77%提高到94%,气孔率由18%下降到3%。渗硅后层状SiC/BN复相陶瓷弯曲强度和断裂韧性分别为235MPa、7.1MPa·m1/2,比渗硅前强度(108MPa)和韧性(3.2MPa·m1/2)分别提高117%、115%。但层状SiC/BN复相陶瓷中含有16%游离Si导致强度不高。添加5wt.%MgO-Y2O3烧结助剂,1900℃热压烧结制备出层状SiC/Graphite复相陶瓷。复相陶瓷基体层与界面层厚度约为300μm和30μm,复相陶瓷相对密度达89%,其弯曲强度和断裂韧性分别为282MPa、9.48MPa·m1/2,强度略低于单相SiC陶瓷的330MPa,但韧性比单相SiC陶瓷(3.56MPa·m1/2)提高近2倍。对层状SiC/Graphite复相陶瓷R曲线行为研究,发现层状陶瓷具有R曲线上升行为,韧性显著提高和R曲线上升主要归因于石墨界面层对裂纹的偏转,吸收了更多断裂能量。层状SiC/Graphite复相陶瓷在1100℃和1300℃下进行1h、5h和10h氧化实验,1100℃氧化失重,1300℃氧化增重,1300℃氧化后的残余强度均高于1100℃。分析认为1100℃下氧化,界面层表面未能形成致密的SiO2氧化层,界面层中石墨氧化严重导致材料性能急速下降;1300℃下氧化,材料表面快速形成致密的SiO2氧化层,致密SiO2氧化层能够减缓石墨氧化并能填充石墨氧化后留下的孔隙,愈合缺陷,一定程度上改善材料力学性能。
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