四氮化三矽/SiC(N)奈米複相陶瓷的製備與性能研究
摘要:採用極性分散劑和超聲分散技術，在微米Si3N4基體中加入SiC奈米顆粒，用真空熱壓燒結法製備出Si3N4/SiC(N)納米複相陶瓷。研究結果表明:加入SiC奈米顆粒可顯著降低燒結溫度，阻止β-Si3N4晶粒的過度生長，細化晶粒組織，提高複合陶瓷材料的緻密度和機械性能：含15wt%SiC奈米顆粒的複相陶瓷具有最佳斷裂韌度和較高抗彎強度，可作為高速切削刀具和模具的候選材料。
1 引言
氮化矽(Si3N4)陶瓷是一種高性能的工程陶瓷材料，在機械、化工、能源、軍工等領域得到大量應用，但它較高的脆性極大地限制了其應用範圍。碳化矽(SiC)陶瓷也具有優良的高溫強度、抗氧化性、耐磨性、耐腐蝕性等，但其較低的室溫強度以及韌性不足也使其應用受到限制。為了改善工程陶瓷的使用性能，人們開發了自補強、添加顆粒或纖維補強、晶須增韌等材料製備工藝技術，但取得的增強、增韌效果比較有限。近年來，人們將納米概念引入工程陶瓷製備工藝，使陶瓷材料增強、增韌技術取得了顯著進展。日本的新原皓一等人率先將奈米級陶瓷顆粒作為彌散相加入微米級陶瓷基體中，製備出了納米複相陶瓷，取得了很好的增強、增韌效果。由於奈米顆粒補強增韌工藝效果明顯、操作簡便、成本較低，因此具有廣闊的應用前景。目前，Si3N4陶瓷增韌技術的研究主要集中於兩個方面：①通過顯微結構設計提高陶瓷材料韌性，即通過降低氣孔率、控制雜質含量來提高陶瓷材料密度和純度：對陶瓷材料的晶型、晶粒尺寸、發育完整程度進行控制：對晶界的大小、材質進行合理調控：對玻璃相的數量、性質、分佈、狀態等進行控制，以獲得具有最佳韌性的顯微組織。②在上述基礎上開展“晶界工程”研究。
本研究通過在微米級Si3N4陶瓷粉末中添加納米級SiC顆粒，製備出了Si3N4/SiC(N) 奈米複相陶瓷材料，並對製備工藝及材料性能進行了試驗研究。
2 材料製備
Si3N4陶瓷粉末採用上海材料研究所用Si粉氮化法制取的商品粉，其粒度D50<0.5µm，其中α-Si3N4相含量;93%(品質分數，下同)，氮含量;37%，游離Si含量;0.5%，其餘為β-Si3N4相。燒結助劑Y2O3、Al2O3、WC、TiC 粉的純度為99.9%。彌散相SiC納米粉純度95%，平均粒度為0.02µm。
製備樣品時，以Si3N4粉為基體材料，加入SiC納米粉(不同配方的添加量分別為0%、5%、10%、15%、30%)。將各種粉料按配方混合，經過超聲振動分散後，放入球磨機內加乙醇球磨48小時(磨粒為Al2O3)，使粉料充分混合均勻並細化。球磨完成後取出，置於烘箱內烘乾，再經100目篩進行篩分，得到較細粉末。將粉末在壓模機中進行壓制(為易於脫模，需在石墨模內壁塗以氮化硼粉末)，然後在真空高溫熱壓爐內進行燒結(燒結原理)。真空高溫熱壓爐應先抽真空，然後緩慢升溫至燒結溫度，純Si3N4的燒結溫度為1850℃，壓力為30MPa，保溫60min：添加SiC納米粉配方的燒結溫度為1750℃，壓力為30MPa，保溫30min。燒結後的試樣(Ø45×6mm灰黑色扁圓柱體)隨爐冷卻後取出。制得的Si3N4/SiC納米複相陶瓷的顯微組織。
3 性能測試
將板狀試件毛坯切割為4×5×30(mm3)的試片，分別用於三點彎曲試驗、金相組織觀察、硬度檢測、斷裂韌度測試等試驗。用HVS-1000 Digital Microhardness Tester顯微硬度計檢測試片的顯微硬度，所加載荷為100g。在AKASHI(AVK-A)維氏硬度計上用微小壓痕法檢測試片的斷裂韌度，所加載荷為3kg。檢測步驟為:將試樣觀察面打磨、拋光，得到鏡面，在顯微鏡下觀察，確定有無劃痕。在維氏硬度計上，以29.4N(3kg)的載荷載入15秒鐘，打出壓痕，測量裂紋長度及壓痕對角線長度。利用下式可計算出斷裂韌度(適用於韌性較差的陶瓷半圓形表面裂紋):
KIC/(Ha½)=0.203(c/a)-3/2
式中，KIC為韌度因數，H為維氏硬度值，2a為維氏硬度壓痕對角線長度(mm)，2c為裂紋長度(mm)。
用HITACHI S-570型掃描電鏡對三點彎曲試驗後的斷口進行SEM 觀察。選擇試樣鑲嵌於電木粉中，將觀察面打磨、拋光，得到鏡面，在氫氟酸、硝酸混合液中進行腐蝕後，在掃描電鏡上進行組織觀察並拍照。用排水法測量相對密度和孔隙率。用Rigakv Geigerflex型X射線衍射儀進行X射線衍射分析，以確定材料中的相組成。
資料來源：技術中心-中國金屬加工網
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1 引言
氮化矽(Si3N4)陶瓷是一種高性能的工程陶瓷材料，在機械、化工、能源、軍工等領域得到大量應用，但它較高的脆性極大地限制了其應用範圍。碳化矽(SiC)陶瓷也具有優良的高溫強度、抗氧化性、耐磨性、耐腐蝕性等，但其較低的室溫強度以及韌性不足也使其應用受到限制。為了改善工程陶瓷的使用性能，人們開發了自補強、添加顆粒或纖維補強、晶須增韌等材料製備工藝技術，但取得的增強、增韌效果比較有限。近年來，人們將納米概念引入工程陶瓷製備工藝，使陶瓷材料增強、增韌技術取得了顯著進展。日本的新原皓一等人率先將奈米級陶瓷顆粒作為彌散相加入微米級陶瓷基體中，製備出了納米複相陶瓷，取得了很好的增強、增韌效果。由於奈米顆粒補強增韌工藝效果明顯、操作簡便、成本較低，因此具有廣闊的應用前景。目前，Si3N4陶瓷增韌技術的研究主要集中於兩個方面：①通過顯微結構設計提高陶瓷材料韌性，即通過降低氣孔率、控制雜質含量來提高陶瓷材料密度和純度：對陶瓷材料的晶型、晶粒尺寸、發育完整程度進行控制：對晶界的大小、材質進行合理調控：對玻璃相的數量、性質、分佈、狀態等進行控制，以獲得具有最佳韌性的顯微組織。②在上述基礎上開展“晶界工程”研究。
本研究通過在微米級Si3N4陶瓷粉末中添加納米級SiC顆粒，製備出了Si3N4/SiC(N) 奈米複相陶瓷材料，並對製備工藝及材料性能進行了試驗研究。
2 材料製備
Si3N4陶瓷粉末採用上海材料研究所用Si粉氮化法制取的商品粉，其粒度D50<0.5µm，其中α-Si3N4相含量;93%(品質分數，下同)，氮含量;37%，游離Si含量;0.5%，其餘為β-Si3N4相。燒結助劑Y2O3、Al2O3、WC、TiC 粉的純度為99.9%。彌散相SiC納米粉純度95%，平均粒度為0.02µm。
製備樣品時，以Si3N4粉為基體材料，加入SiC納米粉(不同配方的添加量分別為0%、5%、10%、15%、30%)。將各種粉料按配方混合，經過超聲振動分散後，放入球磨機內加乙醇球磨48小時(磨粒為Al2O3)，使粉料充分混合均勻並細化。球磨完成後取出，置於烘箱內烘乾，再經100目篩進行篩分，得到較細粉末。將粉末在壓模機中進行壓制(為易於脫模，需在石墨模內壁塗以氮化硼粉末)，然後在真空高溫熱壓爐內進行燒結(燒結原理)。真空高溫熱壓爐應先抽真空，然後緩慢升溫至燒結溫度，純Si3N4的燒結溫度為1850℃，壓力為30MPa，保溫60min：添加SiC納米粉配方的燒結溫度為1750℃，壓力為30MPa，保溫30min。燒結後的試樣(Ø45×6mm灰黑色扁圓柱體)隨爐冷卻後取出。制得的Si3N4/SiC納米複相陶瓷的顯微組織。
3 性能測試
將板狀試件毛坯切割為4×5×30(mm3)的試片，分別用於三點彎曲試驗、金相組織觀察、硬度檢測、斷裂韌度測試等試驗。用HVS-1000 Digital Microhardness Tester顯微硬度計檢測試片的顯微硬度，所加載荷為100g。在AKASHI(AVK-A)維氏硬度計上用微小壓痕法檢測試片的斷裂韌度，所加載荷為3kg。檢測步驟為:將試樣觀察面打磨、拋光，得到鏡面，在顯微鏡下觀察，確定有無劃痕。在維氏硬度計上，以29.4N(3kg)的載荷載入15秒鐘，打出壓痕，測量裂紋長度及壓痕對角線長度。利用下式可計算出斷裂韌度(適用於韌性較差的陶瓷半圓形表面裂紋):
KIC/(Ha½)=0.203(c/a)-3/2
式中，KIC為韌度因數，H為維氏硬度值，2a為維氏硬度壓痕對角線長度(mm)，2c為裂紋長度(mm)。
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