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人们的生活离不开材料,在当今的社会中也是如此,材料不仅在日常生活中时时用到,比如人们穿的衣服、建筑、车辆以及许多其他的标志人类进步的发明等等,还在文化和知识方面比如文学、音乐等艺术作品中有所体现。换句话说,没有材料人类就无法生存。陶瓷作为一种无机非金属材料,是由天然存在的原始(粉末状)材料制成的,迄今为止已有一千多年的历史。陶瓷具有许多有趣的特性,其中就包括高刚度、高机械强度和一定的高温稳定性,这些性能使得陶瓷作为切削工具和生物医学植入物等,在电子、国防、航空航天和自动化等领域有着广泛应用。但是陶瓷也存在一些缺陷,例如陶瓷具有一定的脆性。玻璃的脆性比陶瓷更严重,因为玻璃的非晶结构不会对裂纹的扩展产生任何阻碍,从而导致玻璃的断裂韧性值非常低。因此,人们研制出陶瓷纳米复合材料来解决这些问题。陶瓷纳米复合材料可以定义为具有多于一种吉布斯自由能的固相材料,其中至少一种相的尺寸在纳米范围内,并且固相可以以非晶态,半晶态或结晶态存在。在陶瓷纳米复合材料中,基质可以是陶瓷(SiC,Si3N4)或玻璃材料,纳米相可以是纳米颗粒,例如纳米管,纳米纤维,纳米片(石墨烯)或这些材料组成的混合物.1)Si3N4基的复合材料已被广泛研究并应用于工业生产中。本文在1700℃、N2气氛下,通过热压(HP)烧结制备了 SiC/Si3N4复合材料。烧结助剂氟化物(AlF3和MgF2)用于降低晶格中的氧含量,这对复合材料的堆积密度和孔隙率有一定的影响。实验结果表明,通过调整SiC/Si3N4复合陶瓷的中间相,可以有效提高高温烧结中SiC和Si3N4基体之间的化学相容性。XRD和SEM结果表明,Si3N4发生了 α相至β相的完全转变,并且有晶粒间的相互作用,这表明相变不受SiC添加的影响。此外,随着SiC/Si3N4复合材料结晶度的增加和界面效应的强烈影响,使得复合材料的导热系数(90.6至145.66 W/m.K),断裂韧性(8.52至10.3 MPa.m0.5)和维氏硬度(1849至2125 HV)也显着提高。2)石墨烯纳米复合材料能在纳米添加剂含量相对较低时显著提高陶瓷的导热性能和机械性能。本文以氟化物(AlF3,MgF2)为烧结助剂,通过热压烧结(烧结温度为1650℃,保温时间为2小时)制备出了石墨烯纳米片增强的Si3N4基复合材料(GNP/Si3N4)。从微观结构中可以看出,不同浓度的石墨烯纳米片(GNP)使得GNP/Si3N4复合材料的结晶度和密度有所提高。这些特性有助于大大提高GNP/Si3N4复合材料的导热系数(从82.42到137.47W/m.K)。从形貌图中可以看出复合材料中的GNP分布均匀,并且在Si3N4的晶界处观察到了 GNP重叠(2到4片)。随着GNP含量的增加,复合材料的断裂韧性和维氏硬度也随之增强。以GNP为添加剂的所有复合材料中,在拉出、裂纹变形、裂纹分支和裂纹桥接方面,增韧机理均相似。3)添加碳纳米管(CNT)的陶瓷复合材料表现出了较高的机械性能、良好的热性能和电性能。本文以氟化物为添加剂(AlF3和MgF2),在1700℃下热压烧结1小时,制备出了多壁碳纳米管增强的Si3N4基复合材料(MWCNT/Si3N4)。从MWCNT/Si3N4复合材料的微观结构分析可知,氟化物添加剂可以显著提高复合材料的致密度并且促进α-Si3N4到β-Si3N4的转变。随着M WCNT浓度的增加,MWCNT/Si3N4复合材料的机械性能,即弯曲强度和断裂韧性都得到增强,这是由于复合材料的密度高,界面相互作用强以及MWCNT和β-Si3N4的拔出机制。本文中,断裂韧性、弯曲强度、杨氏模量和硬度的最大值分别为12.76±1.15 MPa.m0.5、883±46 MPa,255±8 GPa 和 26.4±0.7 GPa。机械性能的改善还归因于MWCNT和β-Si3N4的协同强化以及增韧的影响。4)碳纳米结构(CNS)作为一种增强材料可以明显提高陶瓷的机械性能和热性能。本文研究了 CNS对碳化硅晶须增强Si3N4复合材料(SiCw/Si3N4)的导热性能和力学性能的影响。本文通过热压烧结制备的SiCw/Si3N4复合材料,包括碳纳米纤维(CNF),MWCNT和GNP三种碳纳米结构材料。通过XRD分析可知,α-Si3N4已经完全转变为β-Si3N4,并且显微结构分布均匀,可以看到CNS的拔出和桥联机制。结果表明,随着CNS的加入,SiCw/Si3N4复合材料的导热系数和力学性能均得到一定的提高。含MWCNT的SiCw/Si3N4复合材料的断裂韧性和抗弯强度的最大值为9.70±0.8 MPa.m1/2和765±58 MPa,含CNF的SiCw/Si3N4的杨氏模量和硬度达到了 250±3.8GPa、27.2±0.9 GPa。此外,通过添加CNS,复合陶瓷的热导率也得到改善,最大值达到了 110.6 W/m.K。本文的研究为在新兴工程中应用的高性能多功能陶瓷复合材料的制造提供了一种有效方法。