热压烧结α-SiC陶瓷基复合材料力学性能的研究

马静梅，宋 健，刘惠莲，华 中，肖 利，郭 丽

(吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000)

热压烧结α-SiC陶瓷基复合材料力学性能的研究

马静梅，宋 健，刘惠莲，华 中，肖 利，郭 丽

(吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000)

以α-SiC为原始粉体，采用1 800 ℃热压烧结工艺制备了BAS/SiC复合材料．利用阿基米德排水法、XRD、SEM、三点弯曲和单边切口梁法等分析测试手段研究了复合材料的致密度、物相组成、断口形貌及室温力学性能．实验结果表明，随着BAS含量的增加，复合材料的致密度增大，其相应的力学性能也有很大的提高．而复合材料的物相不受BAS含量的影响，只有六方BAS和α-SiC两相组成．

热压烧结；α-SiC；BAS；力学性能

0 引言

SiC烧结体的晶界能(γGB)和粉末表面能(γSV)之比很高，烧结驱动力Δγ(Δγ=γSV/γGB)很小，不易获得足够的能量形成晶界，因此很难获得致密的SiC陶瓷[1-3]．但在SiC中引入某些烧结助剂形成玻璃相和其他液相，粒子在液相中就会粘性流动和重排，这样不仅可以获得致密的产品而且可以降低烧结温度．这种在整个烧结过程中存在液相的烧结被称作液相烧结．

BAS是硅铝酸钡(Barium Alminosilicate)的简称，其熔点高达1 760 ℃，具有耐高温(>1 590 ℃)、热膨胀系数小(单斜相BAS在20-1 000 ℃时的热膨胀系数为2.29×10-6/℃)、抗氧化性好、耐酸碱腐蚀能力强，被广泛应用于高温热强材料等航空航天领域[4-8]．

本文将BAS作为液相烧结助剂，引入到SiC陶瓷的烧结中，希望获得致密的SiC陶瓷基复合材料．通过BAS含量的变化，研究其对复合材料致密度，物相组成及力学性能的影响．

1 实验部分

1.1 实验原料

以α-SiC(SIKA SINTEX 13C，Saint-Gobain Abrasives)、BaCO3(99.9 % Grade，Rare Metallic Co.,Ltd.,Japan)、SiO2(99.9 % Grade，Rare Metallic Co.,Ltd.,Japan)、和Al2O3(Grade A16SG Rare Metallic Co.,Ltd.,Japan)粉体为原料，湿混法制备了α-SiC陶瓷基复合材料．湿混用的无水乙醇为市售分析纯试剂．α-SiC的颗粒的平均尺寸为0.6-0.8 μm．

将以上粉末按比例计算并称量，然后将粉体放入聚乙烯瓶中，倒入适量的无水乙醇和氮化硅小球，在球磨机上湿混12 h．将混好的浆料放入40℃旋转蒸发器中烘干．为防止粉体在机械混合过程中发生团聚，将粉体烘干后过100目筛子，并装入内壁涂有BN的直径为50 mm的石墨模具．为便于烧结结束后脱模，粉体与压头之间最好垫两层石墨纸，并在模具内壁涂一薄层氮化硼湿粉．将混好的粉末放入石墨模具中，0.1个大气压N2气氛，10 ℃/min速率升温到1 800 ℃，保温60 min，采用的烧结压力为30 MPa，随炉冷却制备α-SiC陶瓷基复合材料．

1.2 测试方法

根据商家提供的原料的规格参数，依据混合法，对烧结所得材料的理论密度进行了计算．并采用阿基米德排水法，对烧结所得材料的实际密度进行了精确测定(一块样品测量6条，取其平均值)．复合材料的致密度为实际密度和理论密度之比．为准确测量，在测试前，先将每条试样表面清洗烘干．以防止样品表面产生气泡，在试样表面轻轻涂上一薄层凡士林然后在放入水中测试实际密度．

烧结得到材料的物相组成分析在日本理光电机D/max-γB型X射线衍射仪上进行，采用铜靶的Kα射线作为标识的X射线，加速电压为40 kV，电流为60 mA，扫描速度为4°/min．

在Hitachi S-4700扫描电子显微镜上观察复合材料的断口形貌．为了防止试样表面放电，在观察前对试样表面喷金8 min．

复合材料的抗弯强度是在Instron-5500型万能试验机上通过三点弯曲法测定，十字压头的移动速率为0.5 mm/min．强度测试跨距为30 mm，测试样品长为40 mm，厚为3 mm，宽为4 mm．在Instron-1186型万能试验机上，通过单边缺口梁三点弯曲试验测定烧结材料的断裂韧性．断裂韧性测试时跨距为16 mm，缺口宽度为0.2 mm．测试样品长度为24 mm，宽为2 mm，厚为4 mm．测试时夹头位移速度为0.05 mm/min．结果为6条试样的平均值．

2 结果与讨论

2.1 致密化和物相组成

图1所示为1 800 ℃热压烧结制备的不同BAS含量的BAS/SiC复合材料的致密度计算结果．从图中可以看出，随BAS含量的增加，复合材料的致密度提高，这主要是因为BAS形成的液相和晶界相增多，能够充分地润湿原始粉末，降低晶界能，从而减小了复合材料中的孔洞，有利于提高BAS/SiC复合材料的致密度．依据液相烧结机制，陶瓷的烧结一般与原材料的晶粒大小，添加剂，晶粒分布状态及烧结工艺有关．

图1 不同BAS含量的BAS/SiC复合材料的致密度

图2所示为以α-SiC为原料，采用热压烧结法，在1 800 ℃/60 min条件下合成的BAS/SiC复合材料的XRD图谱．从图中可以看出，三种复合材料均由六方BAS相和α-SiC两相组成．复合材料的XRD图谱中没有发现BaCO3、Al2O3和SiO2的衍射峰，说明BaCO3、Al2O3和SiO2粉体的化学计量比正确，在烧结过程中已原位合成了BAS相．

随BAS含量的增加，复合材料在烧结过程中生成了大量的液相，更有利于α-SiC晶粒的溶解，重排和析出．复合材料的XRD图谱中都没有检测到单斜BAS的衍射峰，说明六方BAS相没有相变为单斜BAS相，这主要是因为六方BAS是二维层状结构，而单斜BAS为三维网络结构，六方向单斜转变时，需要Ba位置、Al-N键和Si-O键的断裂重排，因此六方BAS相向单斜BAS相变的进程十分缓慢[9]，因此，结晶过程中，六方BAS相总是优先析出．

图2 不同BAS含量的BAS/SiC复合材料的XRD图谱

2.2 力学性能

图3所示为α-SiC原始粉末制备的BAS/SiC复合材料的室温抗弯强度和断裂韧性．从图中可以看出，1 800 ℃低温烧结时，BAS含量对BAS/SiC复合材料的致密度影响很大，对复合材料的室温抗弯强度影响也很大，即随着BAS含量的增加，复合材料的室温抗弯强度增大，这与复合材料的致密度随BAS含量的变化规律相同．BAS含量为20wt.%，30wt.%和40wt.%时，复合材料的室温抗弯强度分别为273.3 MPa，402.8 MPa和577.0 MPa．

陶瓷材料的室温强度是当弹性变形达到极限程度而发生断裂时的应力，即弹性变形抗力，其大小取决于材料本身的成分及组织结构，同时也会受外界条件，如温度、应力状态等的变化而变化[10]．对于复合材料来说，当材料的成分确定之后，气孔率和晶粒尺寸是影响复合材料强度的两个重要影响因素，即随着气孔率的增加，复合材料的强度下降．这也是BAS/SiC复合材料的室温抗弯强度随BAS含量即致密度的增加而增加的原因．

BAS/SiC复合材料的断裂韧性如图3所示．1 800 ℃ 热压烧结时，BAS含量为20wt.%，30wt.%和40wt.%的复合材料的断裂韧性分别为2.85 MPa·m1/2，5.04 MPa·m1/2和5.68 MPa·m1/2，随BAS含量的增加，复合材料的断裂韧性提高．

图4所示为1 800 ℃热压烧结原料为α-SiC的BAS/SiC复合材料的室温断口形貌．从图中可以看出，SiC主要以沿晶断裂为主，断口粗糙起伏不平，这是SiC晶粒与界面解离及拔出后留下的孔洞．BAS含量为20wt.%复合材料的致密度很低为87.7%，其断口形貌好像SiC晶粒表面包裹的是正处于熔融状态还没有来得及晶化的BAS相．但如图2所示的20wt.%BAS/SiC复合材料的XRD图谱分析结果看，BAS已经完全晶化，此形貌说明SiC晶粒和BAS相的结合较弱， 这也是其力学性能较低的原因[11,12]．

图4 不同BAS含量的BAS/SiC复合材料的断口形貌

3 结论

α-SiC为原始粉体，1 800 ℃制备了不同BAS含量的BAS/SiC复合材料．复合材料的物相组成不受BAS含量的影响，只要六方BAS和α-SiC相．而随着BAS含量的增加，复合材料的致密度，力学性能明显提高．复合材料的断裂主要以沿晶断裂为主．

[1]马静梅.BAS/SiC陶瓷基复合材料的制备及其组织与性能[D].哈尔滨工业大学，2010.

[2]马静梅，陈 琪，肖 利，等.烧结温度对SiC陶瓷基复合材料组织及力学性能的影响[J]．吉林师范大学学报(自然科学版),2013,34(4):68～63.

[3]马静梅，刘惠莲，华 中，等.BAS/SiC基复合材料的制备及其显微组织的研究[J]．吉林师范大学学报(自然科学版),2013,34(1):90～93.

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[10]周 玉.陶瓷材料学[M].北京:科学出版社,2004.

[11]于 萍.SiCf(w)对Cf/SiO2陶瓷复合材料力学与抗热震性能的影响[D].哈尔滨工业大学硕士论文,2010.

[12]谭寿洪,陈忠明,江东亮.液相烧结SiC陶瓷[J]．硅酸盐学报,1998,2:191～197.

StudyonMechanicalPropertiesofHP-edα-SiCCeramicsMatrixComposites

MAJing-mei，SONGJian,LIUHui-lian,HUAZhong,XIAOLi,GUOLi

(College of Physics,Jilin Normal University,Siping 136000,China)

BAS/SiC composites were fabricated with original α-SiC powders by hot-pressing at 1 800℃.Densification,phase composition,fracture micrographs and room-temperature mechanical properties of the composites were studied by means of Archimedes' principle,XRD,SEM and three-point bending methods.The results showed the relative densities of the composites increased for improving BAS content,correspondingly,the mechanical properties of the composites increased.Only two crystalline phases were found in the composites,i.e.hexacelsian (H-BAS) and α-SiC,without effect of BAS content.

Hot-pressing;α-SiC;BAS;Mechanical property

郎集会)

2014-06-05

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目([2013]第205号)

马静梅(1973-)，女，吉林省吉林市人，现为吉林师范大学物理学院讲师，博士.研究方向：无机非金属.

TB332

A

1674-3873-(2014)03-0041-03