新型陶瓷结合剂SiC复合材料的制备与性能研究

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SiC复合材料具有硬度高、高温强度大等优良特性,非化学计量比化合物中有着大量的缺陷,处于亚稳态,能量较高,过渡族金属碳化物有着较好的高温性能与力学性能,在非化学计量比化合物基础上添加过渡族金属碳化物而固溶形成的高熵化合物(HECs)有着高硬度、高韧性等力学性能。本文主要研究SiC-TiC0.4以及HECs-SiC硬质复合材料制备,采用放电等离子技术烧结,通过XRD、SEM等对粉体以及烧结体的物相组成和微观形貌进行分析,对烧结体的硬度、断裂韧性以及致密度等物理性能进行测试。SiC-TiC0.4分层烧结实验结果表明,在1800℃,TiC0.4与α-SiC之间存在着明显的扩散层,且厚度大于其与β-SiC之间的扩散层。混合烧结实验中,α-SiC含量50vol.%,烧结温度1800℃的α-SiC-TiC0.4烧结体硬度与断裂韧性分别为20.63 GPa,6.45 MPa·m1/2,且1700℃时烧结体已基本致密,相对于同类SiC复合材料,其性能较好,烧结温度低,同时具有良好的导电性、导热性以及抗氧化性。制备TiC0.4-VC-NbC-α-SiC混合烧结体以及TiC0.4-VC-NbC-TaC-α-SiC混合烧结体,分析α-SiC含量以及烧结温度对烧结体物相组成、微观形貌以及性能的影响。四元系列中,α-SiC含量为40vol.%,烧结温度为1600℃时,烧结体硬度为21.72 GPa,韧性为6.32 MPa·m1/2,密度为4.76 g/cm3,致密度达到98%。在加入TaC之后,当α-SiC含量为42vol.%,在1600℃制备的样品硬度达到21.88 GPa,韧性为7.06 MPa·m1/2,密度为5.87 g/cm3,致密度达到98%。制备TiC0.4-VC-NbC-β-SiC的混合烧结体,当β-SiC含量为50vol.%,在1800℃制备出的样品硬度值达到23.78GPa,韧性达到8.07 MPa·m1/2,致密度达到98%,密度仅有4.54 g/cm3。实验结果表明,与单纯的TiC0.4作为结合剂相比,NbC、VC与TaC能够与TiC0.4形成固溶体作为SiC结合剂,提升烧结体力学性能;TaC的加入能够提升烧结体的韧性;β-SiC与HECs混合烧结有着更好的力学性能;α-SiC与β-SiC都有着抑制HECs晶粒长大的作用,且β-SiC抑制效果更明显。
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