叶 涛,刘维良,徐兆良(景德镇陶瓷大学,江西 景德镇 333001)
BNNTs/SiC陶瓷复合材料的制备与性能研究
叶 涛,刘维良,徐兆良
(景德镇陶瓷大学,江西 景德镇 333001)
摘 要:以SiC为基体,Y2O3和Al2O3为烧结助剂,氮化硼纳米管(BNNTs)为增韧补强剂,采用喷雾造粒和干压成型方法,通过真空无压烧结工艺制备了BNNTs/SiC陶瓷复合材料。讨论BNNTs添加量和烧结工艺对BNNTs/SiC陶瓷复合材料的致密度、微观结构和力学性能的影响。实验结果表明:采用单因素法得到BNNTs的最佳添加量为1.5 wt.%和压制压力为100 MPa,确定了最佳烧成制度为:最高温度2050 ℃,保温时间2.5 h。采用阿基米德排水法测试样品密度,其相对密度达到99.0%,通过三点弯曲法和压痕法分别测试了样品的抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度。BNNTs/SiC的抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别达到了546.3 MPa、6.53 MPa·m1/2和26.8 GPa。
关键词:BNNTs/SiC;陶瓷复合材料;无压烧结
碳化硅陶瓷本身的脆性使得其应用受到一定限制。如何增强增韧碳化硅陶瓷材料,陶瓷科技工作者已经做了大量的研究工作,取得了较多突破性的进展,陶瓷材料的强度和韧性得到了进一步的提高。目前,常见的陶瓷材料的增韧方法主要有:颗粒弥散增韧、纤维补强增韧、相变增韧、自增韧等方法[1],相关的研究成果均已报道,例如,碳纳米管(CNTs)作为一种补强增韧材料[2],在复合材料中,纳米管的拔出和桥联作用能够有效的提高陶瓷材料的韧性。由于BNNTs有着与CNTs十分相似的内部结构,但是,氮化硼纳米管(BNNTs)具有比CNTs更优的力学性能[3-5],BNNTs是一种更有效的陶瓷补强增韧材料,在陶瓷增韧方面具有更广泛的应用前景。
本论文以碳化硅(SiC)为基体、氧化铝和氧化钇(Al2O3+Y2O3)为烧结助剂[6]、氮化硼纳米管(BNNTs)为补强增韧剂[7],经过无压烧结的方法,制备了BNNTs/SiC陶瓷复合材料,通过一系列的优化实验,获得无压烧结BNNTs/SiC陶瓷复合材料的致密化技术,并对材料的力学性能进行了测试和显微结构进行了分析,为批量化生产性能优良的碳化硅基防弹装甲奠定了工程技术基础。
1.1 原 料
SiC粉,纯度为≥99.3%,D50≤10 μm,潍坊永昊碳化硅微粉有限公司;BNNTs,纯度为≥85%,直径30-350 nm,本实验室自制;Al2O3,纯度为≥99%,D50≤10 μm,上海谊恒工贸有限公司精细化工厂;Y2O3,纯度为≥99%,D50≤10 μm,赣州市德施普新材料资源有限公司;无水乙醇,纯度≥99.7%,AR,上海久亿化学试剂有限公司。
1.2 样品制备
按SiC粉含量分别为91wt.%、90.5wt.%、90wt.%、89.5wt.%、89wt.%,BNNTs含量分别为0wt.%、0.5wt.%、1wt.%、1.5wt.%、2wt.%,Al2O3和Y2O3粉含量均为6wt.%和3wt.%进行配料,采用湿法球磨,先将SiC粉、Al2O3和Y2O3粉的混合料球磨15 h,加入PEI分散好的BNNTs,再球磨30 min,转速200 r/min。经过喷雾干燥,100 MPa干压成型后,放入真空无压烧结炉中在设定的烧成制度下烧结。无压烧结工艺参数为温度2050 ℃,保温2.5 h。
1.3 性能测试
样品经金刚石砂轮切割、粗磨、细磨和抛光制成4×3×37mm的标准样条。应用阿基米德原理测试样品密度;采用日本FV-700型维氏硬度计测试样品硬度和断裂韧性;采用西安力创仪器有限公司10KN微机控制万能电子试验机测试样品抗弯强度;采用JSM-6700F型扫描电镜(FE-SEM)观察断口形貌。
2.1 BNNTs含量对BNNTs/SiC陶瓷复合材料力学
性能的影响
图1为BNNTs含量对复合材料的相对密度和维氏硬度的影响关系曲线。从图1可知,随着BNNTs含量的增加,复合材料的相对密度和维氏硬度先增大后减小。在1.5wt.%时,相对密度和维氏硬度出现最大值,分别为99.0%和26.8 GPa。其原因是添加适量经过分散处理的BNNTs,使SiC陶瓷致密度增加。同时,BNNTs本身的高硬度也使得复合材料的硬度不断增加。但随着BNNTs含量的进一步增加,纳米管所引进的缺陷增多,基体孔洞增多,降低了基体的连续性,使样品致密度降低,最终导致材料的硬度下降。
图2为BNNTs含量对复合材料抗弯强度和断裂韧性的影响关系曲线。从图2可知,随着BNNTs含量的增加,复合材料的弯曲强度先增大后减小,在1.5wt.%时,弯曲强度出现最大值,为546.3 MPa。其原因是BNNTs的弹性模量和抗拉强度远大于SiC,因此在基体承受外加载荷时,纳米管可以承担大部分应力;BNNTs的热膨胀系数略高于SiC,使得复合材料在烧结、冷却后BNNTs处于受拉状态,基体处于受压状态,起到预应力的效果。但随着BNNTs含量的进一步增加,基体中纳米管周围的缺陷不断增多,裂纹尖端产生应力集中的概率增加,裂纹扩展加快,最终导致SiC陶瓷的弯曲强度有所降低。
图1 BNNTs含量对复合材料相对密度和维氏硬度的影响Fig.1 The influence of BNNTs content on the relative density and Vickers hardness of the composite
图2 BNNTs含量对复合材料弯曲强度和断裂韧性的影响Fig.2 The influence of BNNTs content on the bending strength and fracture toughness of the composite
从图2还可以得知,随着BNNTs含量的增加,复合材料的断裂韧性先增大后减小,在1.5wt.%时,断裂韧性出现最大值,为6.53 MPa·m1/2。其原因是添加适量经过分散处理的BNNTs时,BNNTs能均匀地分布在基体晶界及晶粒内。在裂纹扩展过程中,由于纳米管具有高强度、高模量性能,使其能够阻止裂纹的扩展,或使裂纹偏转。同时,纳米管的拔出效应以及在断裂处的桥联作用协同为提高复合材料断裂韧性做出贡献。但随着BNNTs含量的进一步增加,纳米管团聚不断增多,这就造成纳米管周围孔洞增大,容易诱发裂纹扩展,使复合材料的韧性下降。
2.2 BNNTs/ SiC陶瓷复合材料的显微结构分析
图3(a)-(e)是在成型压力100 MPa、最高烧成温度2050 ℃、保温时间2.5 h下制备不同BNNTs含量样品断口的SEM照片。由图3可知,随着BNNTs含量的增加,气孔量逐渐减少。当BNNTs添加量增加至1.5wt.%时,试样断面基本不含气孔,如图3(d)所示。表明纳米管在这个添加范围内对SiC陶瓷的致密化有促进作用。继续增加BNNTs含量,断面气孔量逐渐增多,这是由于BNNTs含量的增加影响烧结时依靠塑性流动及扩散传质的烧结中后期的传质过程,进而阻碍烧结致密化,降低复合材料的致密度。同时,高含氧量纳米管的增加使其周围的气孔量增多,在高温下气体难以排除而形成孔洞,造成基体孔隙率增加。此外,BNNTs 含量的增加会使纳米管之间团聚更明显,而这种团聚在基体中相当于尺寸为微米级的缺陷,并且这种疏松的团聚体在纳米管与基体的结合处产生的孔洞缺陷增多,造成基体致密化受阻,使复合材料气孔率增加。
图3 不同BNNTs含量试样的断口SEM照片Fig.3 SEM images of the samples with different BNNTs content (a) 0wt.%, (b) 0.5wt.%, (c) 1.0wt.%, (d) 1.5wt.%, (e) 2.0wt.%
在干压成型压力为100 MPa,无压烧结温度为2050 ℃,保温2.5 h下,当BNNTs含量为1.5wt.%时,BNNTs/SiC陶瓷复合材料最佳性能为:相对密度、弯曲强度、断裂韧性和维氏硬度分别达到99.0%、546.3 MPa、6.53 MPa·m1/2和26.8 GPa。
参考文献:
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通信联系人:刘维良,男, 教授。
Received date:2016-03-16. Revised date: 2016-03-25.
Correspondent author:LIU Weiliang, male, Professor.
E-mail:174474790@qq.com
中图分类号:TQ174.75
文献标志码:A
文章编号:1006-2874(2016)03-0006-04
DOI:10.13958/j.cnki.ztcg.2016.03.002
收稿日期:2016-03-16。
修订日期:2016-03-25。
Preparation and Properties of BNNTs/SiC Composite
YE Tao, LIU Weiliang, XU Zhaoliang
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China)
Abstract:The BNNTs/SiC ceramic composite was prepared by spray granulation, dry press forming and vacuum pressureless sintering with SiC as matrix, Al2O3and Y2O3as sintering aids, and BNNTs as the reinforcing phase. The influence of BNNTs addition and sintering process on density, microstructure and mechanical properties were discussed. Experiments results showed that the optimal BNNTs addition amount of 1.5wt.% and the optimal processing pressure of 100MPa were obtained by single factor method, which also decided the optimum sintering schedule: the highest temperature was 2050 ℃, and the holding time was 2.5 h. The sample’s density was tested by Archimedes drainage method. The relative density was 99.0%. The bending strength, fracture toughness and Vickers hardness were tested by three point flexural method and indentation method, and the bending strength, fracture toughness and Vickers hardness were 546.3MPa, 6.53 MPa•m1/2and 26.8 GP. Key words:BNNTs/SiC; ceramic composite; pressureless sintering