【摘 要】
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SiC陶瓷材料具有密度低、强度高、硬度大、耐高温、导热快等诸多优点,在航空航天等领域中具有十分广阔的应用前景。但是SiC陶瓷材料断裂韧性较低以及常压烧结难致密等缺点极大的限制其在实际中的大规模化生产应用。而相比于其他增韧方式,颗粒增韧制备工艺简单,生产成本较低,更适用于大规模工业化生产。本文通过SiC陶瓷基体中引入SiC纳米颗粒来提高常压烧结SiC陶瓷的致密性和断裂韧性,并对SiC纳米颗粒的作用机
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SiC陶瓷材料具有密度低、强度高、硬度大、耐高温、导热快等诸多优点,在航空航天等领域中具有十分广阔的应用前景。但是SiC陶瓷材料断裂韧性较低以及常压烧结难致密等缺点极大的限制其在实际中的大规模化生产应用。而相比于其他增韧方式,颗粒增韧制备工艺简单,生产成本较低,更适用于大规模工业化生产。本文通过SiC陶瓷基体中引入SiC纳米颗粒来提高常压烧结SiC陶瓷的致密性和断裂韧性,并对SiC纳米颗粒的作用机制进行了讨论。首先以亚微米级的SiC粉为原料,SiC纳米颗粒作为增韧相,以常压固相烧结法制备了不同SiC纳米颗粒添加量的SiC陶瓷。对不同纳米颗粒加入量的SiC陶瓷的致密性和性能进行了讨论,当SiC纳米颗粒的加入量为5 wt%,制备出的SiC陶瓷性能最佳,体积密度为3.166 g/cm~3,弯曲强度为520 MPa,维氏硬度为22.13 GPa,断裂韧性为4.07 MPa·m1/2,压缩强度为3473 MPa,30℃～1000℃内平均线膨胀系数为4.614×10-6 K-1。然后对不同SiC纳米颗粒添加量SiC陶瓷制备过程中的造粒粉、素坯与预烧结体微观结构进行了探讨,分析了SiC陶瓷材料的断裂面以及发生断裂时的裂纹扩展形式,以此来分析了SiC纳米颗粒的增强机制。少量的SiC纳米颗粒可以均匀填充部分亚微米颗粒间的缝隙,加快烧结过程中的传质作用,促进气体排出,减少气孔等缺陷产生,促进致密化,提高材料的弯曲强度、维氏硬度、压缩强度、热导率以及减小热膨胀系数。在烧结过程中SiC纳米颗粒发生相转变,起到相变韧化的作用;纳米颗粒增强了晶界,使陶瓷发生穿晶断裂;断裂过程中还有裂纹偏转现象,这都增大了裂纹扩展所需的能量,从而提高了SiC陶瓷的断裂韧性。而过多的SiC纳米颗粒会引起纳米颗粒的团聚,不利于陶瓷的致密化,从而导致陶瓷性能下降。最后对SiC纳米颗粒增韧的SiC陶瓷的实际意义进行了评价。制备的SiC纳米颗粒添加量为5 wt%的SiC干气密封环,其高速旋转下的线速度可以稳定在200 m/s,与常规SiC干气密封环的极限线速度相比提高了20%,还具有优异的耐腐蚀性能和抗高温氧化性能,可以满足实际需要。
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