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氮化硅及碳化硅陶瓷复合材料高温压缩变形行为的研究

作　者: 张蕾
导　师: 叶枫
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: Si3N4基陶瓷 SiC基陶瓷 放电等离子烧结(SPS) 高温压缩变形
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


本文采用放电等离子烧结（SPS）法制备了致密的BAS/Si3N4复合材料、SiAlON陶瓷和BAS/SiC复合材料,并在SPS设备中研究了以上材料的高温压缩变形行为,并讨论了压缩变形对材料组织与性能的影响规律。不同BAS含量的Si3N4复合陶瓷,约在1580℃时开始产生压缩变形,随着材料中所含BAS的量增多,能够在较低的温度下实现较快的压缩变形,最大压缩变形速率在10-3s-1量级。其中40wt%BAS/Si3N4材料1600℃最大应变速率能达到1.5×10-2s-1,已进入了超塑性变形的范畴。压缩后材料中的长棒状β-Si3N4晶粒沿垂直于外力方向的平面择优分布。不同稀土掺杂的5wt%BAS/RE-α-SiAlON陶瓷在1500℃时已开始产生压缩变形,到达1630℃后能产生最大应变速率,也在10-3s-1量级上。材料的变形能力与其中所含的晶间相团聚相关,其中Yb-SiAlON材料晶间相分布更均匀,从而应变量与应变速率均最小。材料压缩前后组织形貌无明显变化,长棒状α-SiAlON晶粒在压缩过程中转动和滑移是实现材料宏观应变的主要原因。而添加了过量稀土氧化物的Y1010-α-SiAlON陶瓷同样均在1630℃附近实现了最大压缩变形速率。其中材料的压缩变形量和变形速率与所添加的助烧剂的量成正比关系。对Y1010E2材料而言,材料中的晶间相含量很少,未能实现宏观可见的应变。压缩过程中,同时伴随着晶粒的转动和长大,压缩后的Y1010E4和Y1010E6材料中的长棒状α-Si3N4晶粒在直径和长度方向上均有生长。不同BAS含量的SiC复合陶瓷约在1590℃时变形启动,同时伴有一个较小的极大压缩变形速率。在进入1600℃的保温阶段时,40wt%BAS/SiC的压缩变形速率能达到6.1×10-3s-1。由于BAS/SiC中主要含有等轴状的α-SiC晶粒,压缩后材料并未产生各向异性。同时,尽管α-SiC晶粒的尺寸较大,在几个微米以上,因为等轴状的晶粒在粘性液相中的移动更容易实现,其压缩变形能力仍大于含有细小长棒状晶粒的BAS/Si3N4材料。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-28
  1.1 前言  10-12
  1.2 Si_3N_4 材料  12-14
    1.2.1 Si_3N_4 晶体结构和性质  12-13
    1.2.2 SiAlON 晶体结构和性质  13-14
  1.3 SiC 材料  14
  1.4 陶瓷材料的高温变形研究  14-17
    1.4.1 陶瓷材料的超塑性  15-16
    1.4.2 陶瓷材料的高温变形机制  16-17
  1.5 Si_3N_4 基陶瓷材料的高温变形研究进展  17-23
    1.5.1 Si_3N_4 单晶的塑性变形  18
    1.5.2 Si_3N_4 基陶瓷材料的高温变形研究  18-23
  1.6 SiC 基陶瓷材料的高温变形研究进展  23
  1.7 放电等离子烧结(SPS)工艺  23-26
    1.7.1 SPS 工艺的特点  24
    1.7.2 SPS 烧结机理  24-25
    1.7.3 SPS 在高温压缩成形中的应用  25-26
  1.8 本文的目的、意义及主要研究内容  26-28
    1.8.1 研究的目的和意义  26
    1.8.2 主要研究内容  26-28
第2章 试验材料与研究方法  28-33
  2.1 试验用原材料与试验材料的制备  28-29
  2.2 材料的高温压缩行为研究方法  29-30
  2.3 材料性能测试方法  30-32
    2.3.1 密度的测定  30-31
    2.3.2 硬度和断裂韧性  31
    2.3.3 抗弯强度的测定  31-32
  2.4 材料组织分析方法  32-33
    2.4.1 XRD 物相分析  32
    2.4.2 扫描电镜(SEM)观察  32-33
第3章 BAS/Si_3N_4陶瓷材料的高温压缩变形行为  33-50
  3.1 BAS/Si_3N_4 陶瓷材料的制备  33-34
  3.2 40wt% BAS/Si_3N_4 陶瓷材料的高温压缩变形行为  34-39
    3.2.1 94MPa 压力下的高温变形  34-37
    3.2.2 40wt% BAS/Si_3N_4 陶瓷在1600℃下的压缩变形  37-39
    3.2.3 压缩前后变形对材料力学性能的影响  39
  3.3 BAS 含量对BAS/Si_3N_4 陶瓷材料高温压缩变形行为的影响  39-48
    3.3.1 30wt% BAS/Si_3N_4 陶瓷材料的高温压缩变形  40-43
    3.3.2 20wt% BAS/Si_3N_4 陶瓷材料的高温压缩变形  43-44
    3.3.3 温度对BAS/Si_3N_4 陶瓷压缩变形行为的影响  44-47
    3.3.4 变形温度对BAS/Si_3N_4 陶瓷材料力学性能的影响  47-48
  3.4 BAS/Si_3N_4 陶瓷材料压缩行为的综合比较  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第4章 α-SiAlON 陶瓷材料的高温压缩变形行为  50-68
  4.1 BAS 添加剂对RE-α-SiAlON 陶瓷材料压缩变形行为的影响  50-60
    4.1.1 RE-α-SiAlON 陶瓷材料的制备  50-51
    4.1.2 材料的高温压缩变形行为  51-56
    4.1.3 压缩变形对材料组织与性能的影响  56-60
  4.2 稀土添加剂对Y1010En-α-SiAlON 陶瓷材料压缩变形行为的影响  60-67
    4.2.1 Y1010En-α-SiAlON 陶瓷材料的制备  61
    4.2.2 材料的高温压缩变形行为  61-63
    4.2.3 压缩变形对材料组织与性能的影响  63-67
  4.3 本章小结  67-68
第5章 BAS/SiC 陶瓷材料的高温压缩变形行为  68-77
  5.1 BAS/SiC 陶瓷材料的组织与性能  68-70
  5.2 BAS/SiC 陶瓷材料的高温压缩变形行为  70-72
  5.3 压缩变形对BAS/SiC 陶瓷材料组织与性能的影响  72-75
    5.3.1 BAS/SiC 陶瓷材料变形前后的物相组成变化  72-73
    5.3.2 BAS/SiC 陶瓷材料变形前后的显微组织变化  73-75
    5.3.3 BAS/SiC 陶瓷材料变形前后的力学性能变化  75
  5.4 本章小结  75-77
结论  77-78
参考文献  78-83
攻读学位期间发表的学术论文  83-85
致谢  85-86

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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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