機(jī)械合金化2Si-B-3C-N陶瓷的熱壓燒結(jié)行為與高溫性能研究.pdf

1、Si-B-C-N陶瓷因其優(yōu)異的組織穩(wěn)定性、抗高溫蠕變和抗氧化等性能而逐漸成為陶瓷材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一,在航空、航天、冶金、能源、信息、微電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前,Si-B-C-N陶瓷的制備方法主要包括有機(jī)聚合物前驅(qū)體裂解、物理氣相沉積和機(jī)械合金化三種。其中機(jī)械合金化法因其采用的原料無(wú)毒,工藝簡(jiǎn)單,材料成本低廉,有利于制備致密塊體陶瓷而受到研究人員的重視。目前,采用該方法可以較為容易地制備出室溫彎曲強(qiáng)度約為300-500MPa

2、,晶粒尺寸約為200-500nm的Si-B-C-N復(fù)相陶瓷。但該方法仍存在一些亟待深入研究的問(wèn)題。例如,對(duì)非晶態(tài)Si-B-C-N粉末的微觀結(jié)構(gòu)、燒結(jié)行為、晶化過(guò)程,以及對(duì)陶瓷的組織演變規(guī)律尚不清楚;對(duì)陶瓷材料高溫性能的研究尚需進(jìn)一步加深等。本文針對(duì)上述問(wèn)題,以c-Si、h-BN和石墨粉末為原料,采用行星式高能球磨機(jī)制備非晶態(tài)2Si-B-3C-N粉末,然后采用熱壓燒結(jié)工藝對(duì)該粉末進(jìn)行燒結(jié)。采用X射線衍射、透射電鏡、掃描電鏡、激光粒度分析、

3、熱重-差熱分析(TG-DTA)、力學(xué)性能測(cè)試等方法深入研究非晶態(tài)2Si-B-3C-N粉末的微觀結(jié)構(gòu)、燒結(jié)工藝、在熱壓燒結(jié)過(guò)程中的晶化行為,以及所制備陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和高溫性能,進(jìn)一步探討采用機(jī)械合金化和熱壓燒結(jié)工藝制備Si-B-C-N陶瓷的可行性。
　　研究發(fā)現(xiàn),采用本文所用原料及機(jī)械合金化工藝制備的非晶態(tài)2Si-B-3C-N粉末由近似球形的納米顆粒硬團(tuán)聚體構(gòu)成,團(tuán)聚體的平均粒徑約為5μm;采用不同球磨工藝參數(shù)制備的非晶態(tài)2Si-B

4、-3C-N粉末具有相似的粒度分布、表面結(jié)構(gòu)及組織熱穩(wěn)定性;當(dāng)球磨罐轉(zhuǎn)速高于600rpm或球料質(zhì)量比大于20:1時(shí),會(huì)促使非晶組織發(fā)生晶化并生成尺寸約為1-5nm的SiC晶體。30h或40h的球磨時(shí)間有利于硅與碳原子之間反應(yīng)成鍵,并且此時(shí)粉末中的非晶態(tài)組織沒(méi)有發(fā)生明顯的晶化;當(dāng)非晶態(tài)2Si-B-3C-N粉末在氮?dú)夥罩斜患訜嶂良s1000℃以上時(shí),在粉末的表面出現(xiàn)SiC納米線的生長(zhǎng)現(xiàn)象;當(dāng)被加熱至約1350℃時(shí),粉末因?yàn)楸砻嫜趸さ奶紵徇€原反

5、應(yīng)而快速生成并釋放出CO或CO2氣體。
　　在80MPa下熱壓燒結(jié),當(dāng)溫度高于約1830℃時(shí),非晶態(tài)2Si-B-3C-N粉末將發(fā)生快速的致密化。在1900℃/80MPa/30min/8barN2條件下熱壓燒結(jié)制備的2Si-B-3C-N復(fù)相陶瓷體積密度和相對(duì)密度,以及室溫彎曲強(qiáng)度、彈性模量、斷裂韌性和維氏硬度分別約為2.52g/cm3,88.7％,331.1MPa,139.4GPa,2.81MPa·m1/2和5.65GPa。當(dāng)燒結(jié)溫

6、度降至1800℃或壓力降至50MPa時(shí),所制備材料的密度和力學(xué)性能會(huì)急劇下降。5mol%ZrO2或AlN添加劑使陶瓷坯體在相同工藝條件下發(fā)生快速燒結(jié)致密化的溫度分別降低至約1720℃和1760℃,陶瓷材料的相對(duì)密度分別增至約97.7%和96.9%,室溫彎曲強(qiáng)度分別增至約575.4MPa和415.7MPa。
　　在80MPa/30min/8barN2條件下熱壓燒結(jié)時(shí),非晶態(tài)2Si-B-3C-N粉末的起始晶化溫度約為1485℃。SiC

7、和BN(C)通過(guò)各自密排面有序堆垛、相鄰晶粒合并等方式實(shí)現(xiàn)晶粒生長(zhǎng)。在1900℃/80MPa/30min/8barN2條件下熱壓燒結(jié)制備的2Si-B-3C-N陶瓷由平均晶粒尺寸小于100nm,且分布均勻的β-SiC、α-SiC和BN(C)構(gòu)成。BN(C)相具有湍層結(jié)構(gòu),由分布不均勻的湍層氮化硼,湍層碳,以及B原子固溶的湍層碳和C原子固溶的湍層氮化硼等原子層構(gòu)成。
　　熱壓燒結(jié)制備的納米2Si-B-3C-N復(fù)相陶瓷具有優(yōu)異的高溫組織

8、穩(wěn)定性、高溫抗蠕變性能和抗氧化性能。在1800℃/1barN2條件下保溫處理3h后,材料的組織結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。但由于局部亞穩(wěn)相的熱分解,致使材料出現(xiàn)約3.55%的質(zhì)量損失,材料的密度、彎曲強(qiáng)度和彈性模量分別下降了約2%、13%和29%。同時(shí),陶瓷樣品在平行于及垂直于壓力方向上分別產(chǎn)生了約0.535%和0.203%的體積收縮。當(dāng)應(yīng)力為125MPa時(shí),材料在1400℃、1500℃或1600℃真空環(huán)境中的穩(wěn)態(tài)蠕變速率分別約為5.5×1

9、0-10/s、3.4×10-8/s和8.5×10-8/s。在靜態(tài)干燥空氣中,當(dāng)溫度低于1200℃或等于1600℃時(shí),2Si-B-3C-N復(fù)相陶瓷具有良好的抗氧化性能;當(dāng)溫度約為1400℃時(shí),材料會(huì)發(fā)生快速的氧化;少量ZrO2或AlN(5mol%)的加入使材料在1000℃即發(fā)生快速的氧化,當(dāng)溫度為1200℃時(shí),樣品表面至材料內(nèi)部的氧化侵蝕層厚度約為0.25-1.00mm。
　　本文的研究?jī)?yōu)化了機(jī)械合金化非晶態(tài)2Si-B-3C-N粉末