碳纳米管增韧氮化硅陶瓷复合材料的研究

徐明　方斌

摘 要：纳米管是一种常见的复合材料，金属陶瓷、氮化硅和碳化硅陶瓷等高分子聚合物和陶瓷等成为复合材料体系中的重要组成部分，其具有优异的性能，以增强体极限的形式存在，有较强的增强增韧的效果。因此，文章针对碳纳米管增韧氮化硅陶瓷复合材料的研究，从而发挥碳纳米管的潜能。

关键词：碳纳米管；增韧；氮化硅陶瓷；复合材料

碳纳米管主要是由单层或者是多层圆柱石墨片而组成的，所以碳纳米管分为单壁和多壁之分[1]。当前，碳纳米管增韧氮化硅陶瓷作为复合材料，需要人们加大对其的研究力度，进而提升材料的抗热震性能，并加强其材料的应用，使得碳纳米管氮化硅陶瓷复合材料的增韧性有明显提升。

1 实验

1.1 原料

本次对碳纳米管增韧氮化硅陶瓷复合材料进行研究过程中，试验原料包含氮化硅（Si3N4）、氧化钇（Y2O3）、氧化铝（Al2O3）、乙醇（C2H2）、石墨纸（C）、氮气（N2）。SiN4是上海硅酸盐研究所生产的， 的含量超过85%，而且费氏粒度达到1.2μm，在实验过程中，在碳纳米管内加入浓硝酸和浓硫酸混合液，配比为3：1。在碳纳米管中加入添加剂MgO和CeO2，试样原料的配比具体如表1所示。

1.2 工艺流程

实验人员预先对碳纳米管进行处理，按照一定比例予以分配，在塑料筒内将酒精和硬质的合金球加以湿磨处理，磨好后的混合料在干燥的环境下过筛[2]。此外，称取少量的粉末，将其放入石墨模具中，按照设定的烧结工艺其进行烧结，最后，对烧结试样的硬度、密度和韧性等指标予以测量，并利用显微镜对试样断面的显微结构和晶相结构予以分析[3]。

在烧结过程中，利用热压烧结方式，以15℃/min的速度将温度分别升至1600℃、1650℃、1700℃、1750℃，保温1h，在氮气保护下，保证压力为30Mpa，然后炉内的温度在自然状态下与室内温度一致。

1.3 测试

对试样的测试方法具体如下：密度根据国标GB2413-18，并结合阿基米德定律，测量干燥试样的质量m1，试样吸水饱和质量为m2，在水中的质量为m3，然后代入公式求得试样体积密度？籽0=m1？籽0/（m2-m3），其中，？籽0为室温下液体水的密度，根据室温查有关表查得 ？籽0值[4]。

烧结试样的理论密度计算公式为：1/d=n1/d1+n2/d2+n3/d3......+nm/dm），然后利用排水法测量密度，除以理论密度就能够求得试样的相对密度[5]。

测量材料的断裂韧性和硬度需要采用压痕法，本次加载压力为1kg，加载时间为40s，断裂韧性的计算公式为KIC=0.016（E/HV）1/2P/b3/2。式中的Hv是硬度，GPa；E为弹性模量，MPa，P为载荷，N；B为裂纹半长，单位是mm。通过用扫描电镜对断口形貌，在测试时，加速电压为25kV，粉分辨率为6nm。

2 结果与讨论

2.1 氮化硅陶瓷复合材料的力学性能

通过对碳纳米管进行试验研究表明，当烧结温度为1600℃、1650℃、1700℃时，试样的硬度和密度随着碳纳米管的的加入而减少，碳纳米管的加入不利于改善氮化硅陶瓷复合材料性能。烧结温度为1750℃，在碳纳米管中加入0.99%试样，其断裂韧性和硬度最佳，分别为7.47MPa°m1/2和16GPa，与未加入相比，提升了6%。如果碳纳米管的加入量增加时，试样的力学性能下降，氮化硅陶瓷的烧结温度提升[6]。

2.2 氮化硅陶瓷复合材料的显微结构

通过对氮化硅陶瓷复合材料结构进行显微观察，晶粒发育比较良好，致密度也很高，而且有细长柱状的？茁-SiN3和等轴状的？琢-SiN。

2.3 实验结果分析

通过实验结果表明，碳纳米管的作用主要为如下几个方面，第一，能够进行氮化硅陶瓷材料的孔隙，复合材料的致密度低。第二，在烧结过程中，碳纳米管能够阻碍复合材料的融合，降低致密度。如果碳納米管的含量低，可以被氮化硅粉末分散，达到填充的效果，避免结团；当其含量增加时，致密度下降。如果碳纳米管的加入量少于1%，氮化硅材料的纤维和致密度、硬度都增加；若加入量少于2%，致密度下降，并出现碳纳米管粘连的现象，纤维长径比减小，隔断了氮化硅的连续性。在本次实验中，碳纳米管的最佳加入量为1%。试验的断裂为沿晶断裂，而且碳纳米管分布不均匀，粘结较少，在断口处能将碳纳米管拔出。此外，碳纳米管和氮化硅的热膨胀匹配性较好[7]。

3 结束语

在1700℃热压下进行烧结，并配合MgO和CeO2复合烧助剂的使用，能够降低烧结温度，获取高致密度的SiN4制品。烧结温度为1600℃、1650℃、1700℃时，碳纳米管增加，但氮化硅陶瓷的相对硬度和密度减少，如果碳纳米管含量为0.99%，则氮化硅陶瓷复合材料的韧性提升6%，如果过度的增加，将起到相反效果。碳纳米管增韧氮化硅复合材料主要靠纤维拔出机制，从而提升氮化硅陶瓷的韧性[8]。

参考文献

[1]王伟礼.氮化硼纳米管的制备及其对氧化铝和氮化硅陶瓷的强韧化作用[D].山东大学，2012.

[2]张蕾.氮化硅及碳化硅陶瓷复合材料高温压缩变形行为的研究[D].

哈尔滨工业大学，2010.

[3]余娟丽，李森，吕毅，等.冷冻注凝制备氮化硅陶瓷基耐高温复合材料[J].硅酸盐学报，2015，43（6）：723-727.

[4]王贺云.碳复合氮化硅陶瓷材料的制备与性能研究[D].中国科学院大学，2014.

[5]王灿，王艳莉，詹亮，等.碳纳米管“种子”上生长碳纳米管和氮掺杂碳纳米管[J].新型炭材料，2011，26（2）：81-84.

[6]李根，杨杨.采用两种不同烧结方法制备的氮化硅基纳米复合材料[J].耐火与石灰，2012，37（5）：53-56.

[7]张国富，杨杨.研磨时间对Si3N4纳米复合材料烧结动力学的影响[J].耐火与石灰，2011，36（6）：49-51.

[8]张莉，皮孝东，杨德仁，等.硅纳米晶体在太阳电池中的应用[J].材料导报，2012，26（21）：128-134.