反应热压烧结制备SiC/Si3N4复合材料及抗热震性能的研究

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SiC/Si3N4复合材料具有热膨胀系数低、热导率高、力学性能优良、抗氧化及侵蚀能力强等优点,能用于航空航天、电力和石化等诸多领域。本文以Si3N4微粉、Si粉、C粉为原料,MgO和Y2O3为烧结助剂,采用反应热压烧结工艺制备了SiC/Si3N4复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、三点弯曲和单边切口梁法等分析测试方法,系统研究了Si和C的添加量以及烧结温度对复合材料力学性能的影响规律。并且研究了SiC/Si3N4复合材料的抗热震性能,初步探讨了该复合材料的抗热震机理。相对密度测试表明,随原料中Si和C的加入量逐渐增多,材料的致密度呈先增大后减小的变化趋势;在Si3N4的分解温度以下,材料的致密度随烧结温度的升高呈逐渐增加的趋势。XRD测试结果表明,烧结温度低于1800℃时,制备的SiC/Si3N4复合材料由α-Si3N4、β-Si3N4和SiC三相组成;当烧结温度高于1800℃时,材料中只有β-Si3N4和SiC两相。力学性能测试结果表明,随原料中Si和C的加入量增多,材料的抗弯强度与断裂韧性呈先增大后减小的变化趋势,而硬度呈先增大后平稳变化趋势,在Si和C加入量为5wt.%时,材料的综合力学性能相对最优;随烧结温度的升高,Si和C加入量为5wt.%的材料的抗弯强度与断裂韧性不断增加,而硬度呈先增大后平稳变化趋势,当烧结温度为1850℃时,材料的综合力学性能相对最优。SEM分析表明,SiC/Si3N4复合材料的断裂方式是脆性断裂,其断裂机制主要以沿晶断裂和β-Si3N4的拔出为主。材料的强韧化机制主要为SiC颗粒的弥散强化和长柱状β-Si3N4的自增韧。烧结温度为1850℃,Si和C加入量为5wt.%的复合材料抗热震性能良好,其热震残余强度在临界热震温差处比单相Si3N4陶瓷提高了9.6%。
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