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无压烧结碳化硅基复合陶瓷的力学与抗热震性

作　者: 刘若愚
导　师: 周玉
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料工程
关键词: SiC-Al2O3复合陶瓷 显微组织 力学性能 抗热震性
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本文以SiC、微米Al2O3、纳米Al2O3、Y2O3为原料,在不同温度下烧结得到不同组分的SiC-Al2O3、SiC-Al2O3（Y2O3）及SiC-n-Al2O3复合陶瓷。利用X射线衍射、SEM等分析手段和三点弯曲、单边切口法、淬火热震法试验系统的研究了Al2O3添加量、Y2O3的添加、及纳米Al2O3对材料组织、性能的影响规律及机理。结果表明SiC与微米Al2O3混合,经200MPa冷等静压成型,在2100℃烧结可以得到致密的材料,其致密度随氧化铝添加量增加,呈现先上升后下降的趋势,在氧化铝添加体积百分数为20%时达到最大值99.6%。复合材料的弹性模量随氧化铝添加量增加,呈现先上升后下降的趋势,在氧化铝添加体积百分数为20%时,达到最大值423.7GPa,材料的抗弯强度随氧化铝添加量增加而提高。在氧化铝体积百分比达到30%时,达到最大值,为333.6MPa。材料的热膨胀系数随氧化铝体积百分比的增加而提高,其热膨胀系数（200-1200℃）在7.0～7.8×10-6K-1之间。SiC- Al2O3复合陶瓷的抗热震性随氧化铝体积含量的增加先上升后降低,在氧化铝体积百分比为20%时,材料的抗热震性能最佳,经1000℃淬冷后,残余强度率为35%。在添加Y2O3时,与相同烧结条件下不添加Y2O3时致密度最高为70%相比,材料的致密度得到了大幅度提高。并且随（Al2O3+ Y2O3）添加体积百分比的增加,材料的致密度增加。SiC-Al2O3（Y2O3）系列复合陶瓷中存在低熔点共晶相YAP相,证明Y2O3的加入日的在1900℃下烧结时,体系中产生了液相,促进了烧结的致密化。SiC-Al2O3-Y2O3系列复合陶瓷的力学性能随（Al2O3+Y2O3）添加体积百分比的增加呈现先上升后下降的趋势,在（Al2O3+Y2O3）添加体积百分比为20%时,可获得强度最高的材料。材料的弹性模量、断裂韧性、硬度均在（Al2O3+Y2O3）添加体积百分比为20%时达到最大值。材料的热膨胀系数随（Al2O3+Y2O3）添加体积百分比的增加,呈现上升的趋势。材料的抗热震性随（Al2O3+Y2O3）添加体积百分比的增加而提高。纳米氧化铝粉末与碳化硅粉末混合均匀后,以升温速率10℃/min,升至2000℃,保温1h,进行烧结,得到致密的n-Al2O3/SiC复合陶瓷。材料的致密度在氧化铝添加量为20%时达到最大值,为98.3%,与添加普通,在2100℃下烧结得到的材料致密度相当。而材料的抗弯强度及其他力学性能则得到了显著的提高与改善。随氧化铝添加量增加而提高。在而材料的弹性模量与维氏硬度则随氧化铝添加量的增加呈现先上升后下降的趋势。氧化铝添加体积百分比为10%时,材料的韧性最高,当氧化铝含量增加到20%,致密度最高时,断裂韧性取得最低值,当氧化铝含量进一步升高,材料致密度下降时,材料的断裂韧性又呈现升高趋势。材料的热膨胀系数随氧化铝添加量的增加而提高,在4.58～5.33×10-6/K之间变化。材料的抗热震性随氧化铝添加量的增加先上升而后降低,添加20vol.%的n-Al2O3时,材料的抗热震性能最好。与添加普通氧化铝相比,添加纳米氧化铝可以在较低温度下获得致密的SiC-n-Al2O3复合陶瓷;显著提高材料的强度、断裂韧性等力学性能,但抗热震性能则有大幅下降。综合比较上述各种工艺及不同成分配比的材料,可以发现在使用纳米Al2O3与SiC复合时,材料具有最佳的力学性能,但其抗热震性能较差,而使用微米Al2O3与SiC复合,需要的烧结温度较高,且材料性能价差。在SiC- Al2O3体系中加入Y2O3,可以在较低温度（1900℃）获得组织、性能较好的材料,因此加入Y2O3,在1900℃烧结的工艺最具优势。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第1章 绪论  11-22
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 SiC 陶瓷研究进展  12-20
    1.2.1 SiC 陶瓷的制备工艺  12-13
    1.2.2 无压烧结SiC 陶瓷材料的烧结机理  13-15
    1.2.3 无压烧结SiC 陶瓷材料的初始粉体  15-16
    1.2.4 无压烧结SiC 陶瓷材料的添加剂  16-20
  1.3 研究的目的及意义  20-22
第2章 试验材料与研究方法  22-29
  2.1 引言  22
  2.2 试验用原材料  22-24
  2.3 SiC 复合陶瓷制备  24-26
    2.3.1 成分与烧结温度设计  24-25
    2.3.2 制备工艺  25-26
  2.4 试验研究方法  26-29
    2.4.1 密度的测定  26
    2.4.2 抗弯强度和弹性模量测定  26-27
    2.4.3 断裂韧性的测定  27
    2.4.4 维氏硬度的测定  27-28
    2.4.5 材料抗热震性能测试  28
    2.4.6 热膨胀系数的测定  28
    2.4.7 XRD 物相分析  28
    2.4.8 扫描电镜(SEM)观察  28-29
第3章 Al_2O_3含量对SiC-Al_2O_3复合陶瓷的力学与抗热震性的影响  29-47
  3.1 引言  29
  3.2 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷的物相及组织  29-34
    3.2.1 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷的物相  29
    3.2.2 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷的烧结收缩率、失重及致密度  29-32
    3.2.3 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷的微观组织分析  32-34
  3.3 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷的力学性能  34-39
    3.3.1 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷的弹性模量  34-35
    3.3.2 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷的抗弯强度  35-36
    3.3.3 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷的断裂韧性  36-38
    3.3.4 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷的维氏硬度  38-39
  3.4 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷的热膨胀与抗热震性能  39-45
    3.4.1 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷的热膨胀系数  39-40
    3.4.2 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷的抗热震因子及残余抗弯强度  40-43
    3.4.3 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷热震后的表面形貌  43-44
    3.4.4 SiC-Al_2O_3 复合陶瓷热震后的断口形貌  44-45
  3.5 本章小结  45-47
第4章 添加 Y_2O_3助烧剂的SiC-Al_2O_3复合陶瓷力学与抗热震性  47-63
  4.1 引言  47
  4.2 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷的物相及组织结构  47-52
    4.2.1 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷的物相  47-48
    4.2.2 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷的烧结收缩率、失重及致密度  48-50
    4.2.3 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷的微观组织分析  50-52
  4.3 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷的力学性能  52-56
    4.3.1 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷的弹性模量  52-53
    4.3.2 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷的抗弯强度  53-54
    4.3.3 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷的断裂韧性  54-56
    4.3.4 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷的维氏硬度  56
  4.4 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷的热膨胀及抗热震性能  56-61
    4.4.1 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷的热膨胀系数  56-57
    4.4.2 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷的抗热震因子及残余抗弯强度  57-59
    4.4.3 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷热震后的表面形貌  59-60
    4.4.4 SiC-Al_2O_3(Y_2O_3)复合陶瓷热震后的断口形貌  60-61
  4.5 本章小结  61-63
第5章 含纳米Al_2O_3 的SiC-n-Al_2O_3复合陶瓷的力学与抗热震性  63-79
  5.1 引言  63
  5.2 SiC-n-Al_2O_3 复合材料的物相及组织结构  63-68
    5.2.1 SiC-n-Al_2O_3 复合材料的物相分析  63-64
    5.2.2 SiC-n-Al_2O_3 复合材料的烧结收缩率、失重及致密度  64-66
    5.2.3 SiC-n-Al_2O_3 复合陶瓷的微观组织分析  66-68
  5.3 SiC-n-Al_2O_3 复合陶瓷的力学性能  68-72
    5.3.1 SiC-n-Al_2O_3 复合陶瓷的弹性模量  68-69
    5.3.2 SiC-n-Al_2O_3 复合陶瓷的抗弯强度  69-70
    5.3.3 5 iC-n-Al_2O_3 复合陶瓷的断裂韧性  70-72
    5.3.4 SiC-n-Al_2O_3 复合陶瓷的维氏硬度  72
  5.4 SiC-n-Al_2O_3 复合陶瓷的热膨胀与抗热震性能  72-77
    5.4.1 SiC-n-Al_2O_3 复合陶瓷的热膨胀系数  72-74
    5.4.2 SiC-n-Al_2O_3 复合陶瓷的抗热震因子及残余抗弯强度  74-75
    5.4.3 SiC-n-Al_2O_3 复合陶瓷热震后的表面形貌  75-77
    5.4.4 SiC-n-Al_2O_3 复合陶瓷热震后的断口形貌  77
  5.5 本章小结  77-79
结论  79-81
参考文献  81-85
致谢  85

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 基础理论
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