【摘 要】
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氮化硅(Si3N4)作为一种重要的高温结构陶瓷,由于其杰出的性能如高强度和高硬度,良好的抗氧化性,低摩擦系数,可忽略的蠕变,良好的抗热震性,良好的耐腐蚀性等而受到广泛关注。然
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氮化硅(Si3N4)作为一种重要的高温结构陶瓷,由于其杰出的性能如高强度和高硬度,良好的抗氧化性,低摩擦系数,可忽略的蠕变,良好的抗热震性,良好的耐腐蚀性等而受到广泛关注。然而,Si3N4陶瓷的固有脆性严重限定了其应用。自碳纳米管(CNTs)1991年被发现以来,由于具有特有的物理、化学、电子学和力学性能迅速成为材料、化学和物理等领域的研究热点。许多研究成果证明,CNTs是一种具备无限前景的陶瓷材料增强相。氮化硼纳米管(BNNTs)可以想象成卷起来的六方BN层或B和N原子交替地更迭碳纳米管(CNTs)中C原子。BNNTs具有优异的弹性模量和拉伸强度,同时拥有比CNTs更优异的热稳定性和化学稳定性,因此更有望作为高温陶瓷材料的增强相。本文通过热压烧结制备了氮化硅(Si3N4)陶瓷,研究了烧结助剂、烧结温度和BNNTs含量对Si3N4陶瓷力学性能的影响。结果表明,以Al2O3-Gd2O3为烧结助剂,可获得致密度较好、抗弯强度和断裂韧性较高的氮化硅陶瓷。在1800℃之前,陶瓷的抗弯强度随着烧结温度的升高而增加。在1800℃以上,α-Si3N4相完全转变为β-Si3N4相。通过添加BNNTs,Si3N4陶瓷的断裂韧性得到显著提升。当BNNTs含量从0增加到0.8wt.%时,Si3N4陶瓷的断裂韧性从7.2增加到10.4MPa.m1/2。然而,过量引入BNNTs会导致Si3N4陶瓷断裂韧性的降低。同时,随着BNNTs含量的增加,Si3N4陶瓷的相对密度和抗弯强度略有下降,但在1.2wt.%BNNTs时,陶瓷的断裂韧性和抗弯强度仍然分别保持着8.8MPa·m1/2和711MPa的较高水平。另外,BNNTs对Si3N4陶瓷的增韧机制也进行了探讨,主要包括纳米管的桥联、拔出和裂纹偏转机制。
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