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SiC陶瓷是一种高性能的结构陶瓷,被认为是最有前途的结构陶瓷之一。其具有许多优良的性能,如高熔点、高硬度、高耐磨性、高强度、抗氧化及良好的热导率和相对低的热扩散系数等优点,使其在机械、化工、能源、军工方面具有广泛的应用前景。但是由于其断裂韧性较低(3~4MPa·m1/2),从而限制了它的应用范围。对SiC陶瓷材料的研究工作,主要集中在改善其力学性能,特别是提高其断裂韧性等方面。原位合成法是近年发展起来的制备陶瓷材料的新工艺,具有工艺简单、成本低、组织均匀及微细的显微结构等优点。因此,它是SiC陶瓷材料增韧的发展新方向,受到了人们的广泛关注。
本实验采用SiC、TiO2、B4C和酚醛树脂(作为C的来源)为主要实验原料,利用B4C和C为烧结助剂,在酒精中球磨分散、烘干、造粒后,在150MPa压力下压制成型;成型后的试样采用的烧结工艺为:在真空气氛下,以10℃/min的升温速度加热到预烧结温度并保温60min,保温结束后充氩气以15℃/min的升温速度加热到烧结温度分别保温15min、30min、60min,烧结结束后,以15℃/min的速度冷却到室温,经过高温无压反应烧结可以制备出TiB2p/SiC复合材料。
本文通过对TiB2p/SiC复合材料相对密度的研究,确定了原位合成烧结的最佳烧结工艺为:1400℃×60min+2000℃×30min。最佳的烧结助剂含量为1wt%B4C+4wt%C。通过调整TiO2、B4C和C的加入量改变TiB2的体积百分含量,研究了TiB2体积百分含量和原位合成工艺对复合材料相对密度、维氏硬度、抗弯强度、断裂韧性、显微组织、晶粒大小和断口形貌等的影响。
实验结果表明:随着TiB2体积百分含量的增加,TiB2p/iC复合材料的相对密度、维氏硬度和断裂韧性均呈现增大的趋势,当TiB2体积百分含量为20%时,复合材料的相对密度最高为94.86%,维氏硬度最大为29.1Gpa,断裂韧性最高为5.9MPa·m1/2,而TiB2p/iC复合材料的抗弯强度则先增加后降低,当TiB2体积百分含量为15%时,最大抗弯强度为265MPa;随着烧结温度的升高,材料相对密度和维氏硬度先增大后减小,当烧结温度为2000℃时均达到最大值,而断裂韧性则一直呈现增大趋势。
通过对材料显微组织观测和力学性能分析,确定了由SiC基体和TiB2颗粒热膨胀系数不匹配导致的残余应力场增韧以及微裂纹增韧是TiB2p/SiC复合材料增韧的主要原因。
论文对SiC陶瓷增韧的研究及生产具有一定的理论指导意义和实用价值。