【摘 要】
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Si3N4/SiC被认为是一种优秀的复相陶瓷,可以具有许多优良的特性,如良好韧性,高温稳定性,耐磨性与耐腐蚀性等,但材料实际上硬度和韧性难以同时统一的问题仍限制着这种复合材料的广泛应用。为了更好的集成Si3N4、SiC各自优良的性能于Si3N4/SiC复合材料中,本论文提出梯度组成复合结构思路,探索了Si3N4/SiC梯度复合材料制备工艺和结构-性能关系,重点关注了梯度组成分布对复合材料结构和宏观
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Si3N4/SiC被认为是一种优秀的复相陶瓷,可以具有许多优良的特性,如良好韧性,高温稳定性,耐磨性与耐腐蚀性等,但材料实际上硬度和韧性难以同时统一的问题仍限制着这种复合材料的广泛应用。为了更好的集成Si3N4、SiC各自优良的性能于Si3N4/SiC复合材料中,本论文提出梯度组成复合结构思路,探索了Si3N4/SiC梯度复合材料制备工艺和结构-性能关系,重点关注了梯度组成分布对复合材料结构和宏观力学性能的影响。论文首先采用热压烧结工艺研究了Si3N4/SiC梯度复合材料的烧结致密化。结果发现,在1650 oC～1800 oC范围内,随着烧结温度的升高,Si3N4/SiC梯度材料的整体相对密度呈先上升后下降;在1750oC时整体致密度可达到97%,富SiC侧残留有少量孔洞;进一步提高烧结温度,Si3N4在高温下热分解会导致整体烧结相对致密度反常下降。同时,烧结温度升高和烧结助剂的添加对α-Si3N4转变成β-Si3N4有促进作用。研究了梯度组成分布的空间变化对梯度材料结构的影响。结果发现,富含SiC相组成的厚度增加会导致梯度材料富含SiC相层间出现剪切破坏,而富含Si3N4相组成的厚度增加会导致梯度材料富含SiC侧出现与组分梯度方向一致的裂纹。采用X-ray法和数值仿真对制备材料的残余应力进行分析了测试分析。发现纯SiC一侧存在有278 MPa的拉应力,而纯Si3N4一侧则存在56 MPa的压应力,这主要是由于Si3N4与SiC之间的热膨胀系数不匹配造成的,而上述由于残余应力导致裂纹主要是由于Si3N4相和SiC相在梯度方向上的应力平衡缺失导致的。论文还研究了梯度组成结构对复合材料典型力学性能的影响。Si3N4/SiC梯度材料的抗弯强度与Si3N4/SiC均质复合材料有很大的差异,其抗弯强度会因为三点弯曲测试中载荷的加载方向不同而产生较大的差异,纯Si3N4层作为受拉面时的抗弯强度为1038 MPa,高于纯SiC层作为受拉面时的抗弯强度（769 MPa）;值得注意的是,上述抗弯强度值均远高于Si3N4含量小于80%Si3N4/SiC复合材料,也高于采用自由界面的同组成多层材料理论弯曲性能,显然梯度组成分布形成的预应力场对梯度材料的力学性能具有更加复杂的影响机制。此外由于残余拉应力的存在导致Si3N4/SiC梯度材料的断裂韧性相比于Si3N4/SiC复合材料下降了许多,富SiC相的表面硬度相比于纯SiC陶瓷也下降了许多。
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