颗粒补强锆英石复相陶瓷的力学性能、残余应力和增韧行为研究

本文采用X射线衍射方法测定了颗粒补强锆英石基复相陶瓷基体中的残余应力,通过力学性能测试,结合显微结构观察;讨论了残余应力与补强颗粒增韧行为之间的关系．结果表明：在基体热膨胀系数小于补强颗粒的情况下,适当增大补强颗粒与基体间热膨胀失配,能够提高复相陶瓷的增韧效果．其增韧机制主要为;补强颗粒所引起的裂纹偏转和分支．利用残余应力场增韧模型计算得到的复相陶瓷断裂韧性增量与实际值能够较好的吻合．     

原位反应结合多孔Si3N4陶瓷的制备及其介电性能

以氮化硅(Si₃N₄)和氧化铝(Al₂O₃)为起始原料, 利用原位反应结合技术制备Si₃N₄多孔陶瓷. 研究烧结温度和保温时间对Si₃N₄多孔陶瓷的微观结构、力学性能以及介电性能的影响. 结果表明: 烧结温度在1350℃以下, 保温时间<4h时, 随着烧结温度的升高, 保温时间的延长, 样品的强度和介电常数增大; 但条件超出这个范围, 结果刚好相反; 物相分析表明多孔陶瓷主要由Si3N4和Al₂O₃以及Si₃N₄氧化生成的SiO₂(方石英)组成. 所制备的多孔Si₃N₄陶瓷的气孔率范围为25.34%～48.86%, 抗弯强度为34.77～127.85MPa, 介电常数为3.0～4.6, 介电损耗约为0.002.     

Si3N4颗粒及SiC晶须强韧化MoSi2复合材料的低温氧化行为

对Si₃N₄颗粒及SiC晶须强韧化MoSi₂复合材料在773K下的氧化行为进行了研究.通过热重量分析法（TG）分析了MoSi2及其复合材料MoSi₂-Si₃N_4(p)和MoSi₂-Si₃N_4(P)SiC_(w)在773K下的氧化性能, 采用SEM和X射线衍射测定其表面形貌和氧化物相组成.结果发现：在773K下, 纯MoSi₂和MoSi₂+20vol%Si₃N₄均发生了“Pesting”氧化, 氧化过程服从直线规律, 氧化产物层疏松, 氧化产物主要为MoO₃; MoSi₂+40vol%Si₃N₄氧化服从抛物线规律, 速率常数K_p为0.04mg²/(cm⁴·h), 氧化层致密, 成分主要为SiO₂、Si₂N₂O, 增加Si₃N₄的含量可显著提高MoSi₂的抗“Pesting”氧化能力; MoSi₂+20vol%Si₃N₄+20vol%SiC发生了严重的粉化现象, 氧化产物主要为短针状MoO₃.     

放电等离子快速烧结SiC晶须增强Si3N4BN层状复合材料

采用放电等离子烧结技术(SPS)快速烧结了SiC晶须增强的Si₃N₄/BN层状复合材料.利用SPS技术,在烧结温度为1650℃、保温15min的条件下,材料的密度可达3.18g/cm³,抗弯强度高达600MPa,断裂功达到3500J/m².研究表明:特殊的层状结构、SiC晶须的拔出与折断是材料断裂功提高的主要原因.X射线衍射及扫描电子显微镜研究表明:α-Si₃N₄已经在短短的烧结过程中全部转变成长柱状的β-Si₃N₄,并且长柱状的β-Si₃N₄和SiC晶须具有明显的织构.     

多孔氮化硅/碳化硅复合材料制备的反应机理分析

为了探索碳热还原法制备多孔氮化硅/碳化硅(Si₃N₄/SiC)复合陶瓷材料在高温阶段的反应机理,采用固化的酚醛树脂为碳源,通过热解产生具有反应性的碳,使之在1300-1780℃等不同温度下与表面包裹的氮化硅粉反应,氩气为保护气氛.通过对试样的XRD、TEM分析和显微结构观察,结合反应的热力学和动力学结果计算推测,树脂裂解碳与Si₃N₄反应生成SiC的机理主要为Si₃N₄分解生成Si(l)与C进一步发生的液-固反应,和Si(l)与反应过程中的中间产物CO(g)之间发生的液-气反应.其他还包括C与Si₃N₄间直接进行的固-固反应;C与Si₃N₄表面的SiO₂间的气-固反应以及由SiO(g)、Si(g)参与的气-固反应.树脂裂解碳与Si₃N₄从1400℃左右开始发生反应形成SiC,温度升高对SiC层的生长有促进,保温时间的延长对SiC层的生长厚度影响较大.     

熔盐热析出反应金属化Si3N4与Si3N4的连接

在采用熔盐热析出反应在Si₃N₄陶瓷表面沉积钛金属膜的基础上,对CuAg合金在金属化表面的润湿性进行了研究,结果表明,CuAg合金能对采用该方法金属化的Si₃N₄陶瓷实现良好润湿．在此基础上,成功实现了钛金属化Si₃N₄陶瓷与Si₃N₄陶瓷的连接并对连接工艺进行了系统研究．连接界面的TEM研究发现,界面上广泛存在Ti-Cu－Si-N相并对这种相对连接强度的影响进行了讨论．     

添加β-Si3N4棒晶对氮化硅陶瓷力学性能的影响

将由自蔓延燃烧合成法制备的β—Si₃N₄棒晶加入到α-Si₃N₄起始原料中,研究了热压烧结氮化硅陶瓷力学性能的变化.随棒晶添加量的增加,材料的韧性提高,抗弯曲强度下降.与不加棒晶相比,加入8wt％的β-Si₃N₄棒晶可使陶瓷的韧性从4.0MPa·m^1/2提高到6.7MPa·m^1/2.断口形貌和压痕裂纹的显微结构观察表明,韧性的提高源于长柱状晶粒的拔出和裂纹的偏转.     

烧结助剂对Si3N4/BN层状复合陶瓷结构与性能的影响

研究了MgO-Y₂O₃-Al₂O₃体系(相应的层状复合陶瓷试样记为A)、Y₂O₃-Al₂O₃体系(相应的层状复合陶瓷试样记为B)及La₂O₃-Y₂O₃-Al₂O₃体系(相应的层状复合陶瓷试样记为C)烧结助剂对Si₃N₄/BN层状复合陶瓷结构与性能的影响.研究表明:在相同的烧结工艺下,试样A、B、C的抗弯强度分别为700、630、610MPa,断裂功分别为2100、1600、3100J/m².试样A、B以脆性断裂为主,裂纹偏转现象不明显,而试样C的载荷-位移曲线显示了明显的“伪塑性”特征,裂纹的偏转与扩展现象明显.试样A中Si₃N₄晶粒大小不均且长径比较小,而试样C中长柱状Si₃N₄晶粒发育完善,有较大的长径比.     

Si3N4/TiC纳米复合陶瓷材料R曲线行为

在微米Si3N4基体中加入亚微米Si3N4及纳米TiC颗粒,热压烧结制备出力学性能良好的Si3N4/TiC纳米复合陶瓷材料。采用压痕-弯曲强度法测定了复合材料的裂纹扩展阻力曲线(R曲线)。结果表明:材料呈现出上升的阻力曲线特性,显示出增强的抗裂纹扩展能力。其中,加入质量分数为10%亚微米Si3N4颗粒和15%纳米TiC颗粒的复合材料显示出较为优越的抗裂纹扩展能力,其阻力曲线上升最陡,上升幅度最大。分析表明:弥散的TiC粒子同基体之间弹性模量和热膨胀失配以及Si3N4类晶须拔出与桥联补强协同增韧,有助于纳米复合材料抑制主裂纹失稳扩展,导致复合材料的阻力曲线行为。     

晶须增韧陶瓷刀具材料的R曲线与增韧机理的关系

采用维氏压痕／断裂压力法对Al₂O₃／SiC_w陶瓷刀具材料的裂纹扩展阻力曲线进行了测试．结果表明,裂纹扩展量较小时,R曲线较陡;裂纹扩展量较大时,R曲线趋于平缓．通过裂纹扩展量参数λ的计算,定量地分析了Al₂O₃／SiC_w陶瓷刀具材料的增韧机理,当裂纹扩展量小于参数λ时,晶须桥接是断裂韧性提高的主要原因;而裂纹扩展量大于λ时,晶须拔出是重要的增韧机制;裂纹的偏转对断裂韧性的提高也是有贡献的．     

Mechanical Properties and Microstructure of Si3N4-TiC Nanocomposites

1. IntroductionSilicon nitride is one of the promising structural ma-terials for high-temperature applications because of itshigh resistance to thermal shock, as well as high strength,high fracture toughness, and high resistance to chemicalattack[1~3]. However, wider application has been lim-ited mainly due to its inherent brittleness. Many effortshave been made to improve its properties by control-ling the microstructure or by fabricating various typesof composites[4~7].The silicon nitride wi…     

原位生成TiC/Ti5Si3纳米复合材料的显微结构研究

研究了原位生成ＴｉＣ／Ｔｉ_５Ｓｉ_３纳米复合材料的显微结构．实验结果表明,以ＳｉＣ和Ｔｉ 为原料,通过反应热压工艺可以原位合成ＴｉＣ／Ｔｉ_５Ｓｉ_３复合材料,其中的大部分ＴｉＣ粒子为纳 米粒子．ＴｉＣ晶粒与Ｔｉ_５Ｓｉ_３晶粒的晶界上存在原子台阶．复合材料还含有少量Ｔｉ_３ＳｉＣ_２相．这 些Ｔｉ_３ＳｉＣ_２相主要呈棒状分布在Ｔｉ_５Ｓｉ_３基体中,另有少量Ｔｉ_３ＳｉＣ_２相位于大的ＴｉＣ晶粒内．     

MOSi2材料的强韧化研究进展

综述了近年来MoSi2材料的强韧化研究进展,主要包括复合化Si3 N4、ZrO2、SiC、TiC、La2O3、多种增强体和合金元素Al、Re、Nb对MoSi2性能的影响及强韧化机理,并展望了MoSi2材料的强韧化发展趋势.     

Al_6Si_2O_(13)晶须和TiC颗粒复合强化多孔Al_2TiO_5基复合材料

以γ-AlOOH和TiO_2为原料,添加不同质量分数SiC晶须(SiCw),采用无压反应烧结法制备多孔(Al_6Si_2O_(13)+TiC)/Al_2TiO_5复合材料,分析了SiCw质量分数对(Al_6Si_2O_(13)+TiC)/Al_2TiO_5复合材料孔隙率和抗压强度的影响,讨论了SiCw的强化机制。结果表明:不添加SiCw时,产物主要为Al_2TiO_5和少量Al_2O_3,还有少量未反应的TiO_2;加入SiCw之后,还形成了Al_6Si_2O_(13)和TiC相,TiC和Al_6Si_2O_(13)分别以规则颗粒状和晶须形态存在于Al_2TiO_5基体中。TiC颗粒与Al_6Si_2O_(13)晶须通过细化显微组织、裂纹偏转和晶须桥连机制,起到协同强化作用。SiCw的添加使孔隙率和抗压强度同时大幅度提高,随着SiCw质量分数的增加,(Al_6Si_2O_(13)+TiC)/Al_2TiO_5复合材料孔隙率降低,抗压强度提高的速率减小,当SiCw的质量分数为7.2%时,抗压强度最高,达到301.81 MPa。     

不同类型陶瓷颗粒对铁基复合材料力学性能的影响

采用电流直加热动态热压制备,研究了不同类型陶瓷颗粒(SiC、Cr3C2、TiC和Ti(C,N))增强铁基复合材料的力学性能,并应用Eshelby等效夹杂方法来考察不同类型增强粒子载荷传递的贡献,用以解释实验现象和揭示强化机理。结果表明,SiC颗粒对改善复合材料抗拉强度的作用最好,Cr3C2粒子次之;TiC/Fe和Ti(C,N)/Fe复合材料的强化机理以增加粒子承担载荷的方式为主,而SiC/Fe和Cr3C2/Fe复合材料的增强机理除载荷传递外,还存在增强铁基体本身强度的作用。     

Microstructure and mechanical properties of silicon carbide fibre-reinforced aluminium nitride composite

SiC continuous fibre (15 vol%)/AlN composite was fabricated using a sintering additive of 4Ca(OH)₂ · Al₂O₃ by hot-pressing at 1650 °C and 17.6 MPa in vacuum. Analytical transmission electron microscopy and scanning electron microscopy were used to investigate the microstructure of as-fabricated and crept SiC fibre/AlN composites. The room-temperature mechanical and high-temperature creep properties of the composite were investigated by four-point bending. The incorporation of SiC fibre into AlN matrix improved significantly the room-temperature mechanical properties. This improvement could result from the crack deflections around the SiC fibres. However, the incorporation degraded severely the high-temperature creep properties under oxidizing atmosphere. This could be attributed to the development of the pores and various oxides at the matrix grain boundary and matrix/fibre interface during creep test.     

长柱状β-Si3N4晶粒与SiC晶须在层状Si3N4/BN复合材料中的作用

用SiC晶须和长柱状β－Si3N4对Si3N4/BN层状材料的基体层和分隔层进行了强化,轧膜工艺对SiC晶须和原料中存在的少量β－Si3N4晶粒有一定的定向作用,而基体层中定向分布的SiC晶须和长柱状的β－Si3N4晶粒对基体层的强讳论作用类似于块体材料,其抗弯强度和断裂韧性的提高幅度都大于50％,分隔层中β－Si3N4的定向度较差,但这利利于形成网状结构,在分隔层中起到骨架的作用,同时还可以增加裂纹的扩展长度,改善分隔层与基体层的界面结合状态,最终得到性能最佳的材料的成分为Si3N4 20wt%SiC晶须（基体层）,BN＋15vol%β-SiN4（分隔层）,其断裂功可达4820J／m2,抗弯强度仍可保持在650Mpa。β     

金刚石表面形成Ti3SiC2的反应机理

采用Ti、Si、TiC、金刚石磨料为原料,通过放电等离子烧结(SPS),制备了Ti3SiC2陶瓷结合剂金刚石材料.研究结果表明,Ti-Si-2TiC试样经SPS加热的过程中位移、位移率和真空度在1200℃时发生明显变化,表明试样发生了物理化学变化.XRD分析结果表明1200℃时试样发生化学反应生成了Ti3SiC2.随着温度升高,试样中Ti3SiC2含量逐渐增加.当烧结温度为1200℃、1300℃、1400℃和1500℃时,产物中Ti3SiC2含量分别为65.9%、79.97%、87.5%和90.1%.在Ti/Si/2TiC粉料中添加适量的金刚石5%和10%进行烧结,并未抑制Ti3SiC2的反应合成.SEM观察表明,金刚石与基体结合紧密,同时其表面生长着发育良好的Ti3SiC2板条状晶粒.提出了一种金刚石表面形成Ti3SiC2的机制,即金刚石表面的碳原子首先与周围的Ti反应生成TiC,然后TiC再与Ti-Si相发生化学反应,生成Ti3SiC2.     

Si3N4／SiC纳米复合陶瓷的制备,结构和性能

Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＣＵ纳米复合陶瓷是近年发展起来的高温高温度结构材料，它通过纳米ＳｉＣ颗粒在Ｓｉ３Ｎ４基体中的弥散达到强化增韧的效果。研究表明，这种增韧方法所获得的室温和高温机械性能均远远高于其它的增韧方法。本文综述了Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＣ纳米复合陶瓷在制备、结构和性能方面的研究成果，指出了尚待解决的问题和今后的研究方向。