液相烧结SiC基复合材料的组织与力学性能研究

马静梅，刘惠莲，华 中

(吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000)

SiC陶瓷因其自身结构特点具有优异的力学性能，抗氧化性和抗化学腐蚀能力强等优点，在工程上得到广泛的应用[1].然而也正因为它的强共价键特性使其具有较低的自扩散系数，因此很难通过传统工艺获得完全致密的SiC陶瓷.采用固相烧结方法制备SiC陶瓷时通常会加入B，C或Al2O3等，这些添加剂虽然能够实现SiC的致密，但其烧结温度都在2200oC以上.

近年来，AlN，Y2O3和Y2O3-Al2O3等作为烧结助剂也被加入到SiC中，这些粉体与SiC表面的SiO2反应生成液相，不仅促进了SiC的致密化而且降低了烧结温度(2000oC)[2].但在高温服役条件下，这些位于晶界处的产物就会软化从而降低了复合材料的力学性能，因此，为了更好的满足SiC基复合材料的高温服役要求，有必要寻求一种更好的液相烧结助剂，既具有高熔点又能在冷却过程中快速晶化.

BaAl2Si2O8(简称BAS)是一种熔点高达1760oC的陶瓷，温度达1175oC左右就能形成低温共熔体，且在冷却过程中很容易结晶[3].前期的实验结果表明BAS是一种很有效的液相烧结助剂，促进了Si3N4陶瓷的致密化[4].因此，本文将BAS引入到SiC陶瓷的制备中，研究了BAS含量对SiC基复合材料的致密化、显微组织和力学性能的影响.

1 实验

1.1 实验原料及制备

实验所用原始粉体为α-SiC(山东潍坊凯华SiC微粉有限公司，其颗粒形貌与尺寸如图1所示)，BaCO3(纯度为99.9%，日本稀土材料有限公司)，Al2O3(纯度为99.9%，日本稀土材料有限公司)和SiO2(Grade A16SG，Alcoa).生成的复合材料中BAS含量分别为20wt%、30wt%和40wt%.为保证生成BAS的化学计量比，根据厂家提供的数据，对SiC原始粉体表面的SiO2含量进行了计算.

图1 SiC粉体的原始形貌

以无水乙醇和Si3N4小球为介质，分别将三批次的粉体进行了球磨湿混，时间为12h，将混均匀的粉体烘干过筛(100目)后装入内壁涂有BN的石墨模具进行热压烧结，烧结温度为1800oC，压力为30MPa，保温时间为1h，0.1MPa氮气保护.

1.2 分析测试方法

复合材料的密度采用阿基米德排水法测量.实验仪器为BP211D精密分析天平，仪器精度为0.01mg.

将测试的试样磨平、清洗并烘干，采用日本理学RIGAKU D/MAX-γB型X射线衍射仪对复合材料进行了物相分析，铜靶Kα射线，加速电压为40kV，电流为200mA，扫描速度4o/min，步长为0.02o，范围为10o～65o.

将三点弯曲实验后获得的条状试样的热压面再次精度抛光后清洗烘干，在MX2600FE型扫描电镜上观察抛光表面，抗弯强度试样的断口形貌和压痕裂纹扩展路径.为防止观察时产生放电现象，扫描前将所有观察试样表面喷Au处理.

复合材料的室温抗弯强度是在Instron-5500型万能试验机上通过三点弯曲法测定的，十字压头的移动速率为0.5mm/min.试样尺寸为3×4×36mm3，跨距为30mm，试样四个面经研磨和抛光无划痕，并45°倒角.每种试样取4～6根取平均值.复合材料的断裂韧性是在Instron-5569型万能试验机上采用单边切口梁法(SENB)获得的.试样尺寸为2×4×20mm3，跨距为16mm，切口宽度为0.2mm.试样尺寸满足L/h=4，a/h≤0.5.压头移动速率为0.05mm·min-1.试验结果为4～6个试样的平均值.

2 结果与讨论

2.1 相组成及组织特征

如表1所示，随BAS(20%～40%)含量增加，BAS/SiC复合材料的致密度增加.尽管实验所用烧结温度很低(1800oC)，这比SiC的传统固相烧结和其它添加剂实现的液相烧结温度都低，但BAS含量为40%的复合材料的致密度已高达95.8%.说明在烧结过程中，BAS起到很有效的液相烧结助剂的作用.

表1 BAS/SiC复合材料的致密度及其力学性能

图2所示为BAS/SiC复合材料的XRD图谱.复合材料的物相组成中没有发现原始粉末BaCO3，Al2O3和SiO2的衍射峰，说明它们在烧结过程中已完全晶化成六方BAS相.图2中也没有观察到单斜BAS相的存在，这主要是由于结构特点，使得六方BAS相向单斜BAS相转变的速率十分缓慢[3].因此，从图2中只观察到α-SiC和六方BAS两相的衍射峰.

图3(a～b)所示为BAS含量分别为20%～40%的BAS/SiC复合材料的组织形貌.根据不同的原子序数，很容易分辩出复合材料中黑色的为SiC晶粒，连续白亮的是BAS相，这与EDS分析结果一致.三种复合材料中SiC晶粒都是均匀地分散于连续的BAS相中.图3(a)中可观察到少量的孔洞，这与前面的致密度测试结果一致(表1所示)，这主要是因为此种复合材料中BAS含量较低，且实验所用烧结温度较低(1800oC).

图2 BAS/SiC复合材料的XRD图谱

图3 不同BAS含量的BAS/SiC复合材料的SEM形貌

2.2 力学性能

BAS/SiC复合材料的室温抗弯强度测试结果如表1所示.从表中可以看出，随BAS含量的增加，复合材料的抗弯强度增大.虽然烧结过程中BAS与SiC晶粒的热失配(六方BAS的热膨胀系数为8×10-6/°C，SiC晶粒的热膨胀系数为4.5×10-6/°C)会破坏SiC对BAS基体的强化作用，但当BAS含量增加到40wt%时，复合材料的抗弯强度仍比纯BAS基体(156MPa)增大191%[5].这主要归功于外力作用时，BAS能很好地向SiC传递载荷，及BAS含量很高造成的复合材料的高致密度(95.8%).

表1所示为复合材料的断裂韧性测试结果.从中可以看出，随BAS含量的增加，复合材料的断裂韧性增加.BAS含量为30wt%和40wt%的复合材料的断裂韧性分别为4.7和5.1MPa·m1/2.40wt%BAS/SiC复合材料断裂韧性比纯BAS陶瓷的断裂韧性(1.4MPa·m1/2)提高264%[5].从图4(a)和(b)所示的BAS含量为30wt%和40wt%的复合材料的断口形貌可以观察到，断口比较粗糙，SiC晶粒拔出及拔出后留下的孔洞普遍可见.BAS含量的提高是复合材料断裂韧性提高的主要原因.

图4 30wt%BAS/SiC和40wt%BAS/SiC复合材料的断口形貌

从表1可以看出，随BAS含量的增加，复合材料的弹性模量增加.这主要与不同BAS含量的复合材料的致密度相关.一般来说，陶瓷的烧结工艺对其弹性模量影响很大.弹性模量与复合材料中的孔洞可以用以下关系表示：

E/E0=1-kP

此处E0为没有孔洞即完全致密的复合材料的弹性模量，k为常数，P为孔隙率.当P很小时，复合材料的弹性模量就会随孔隙率P的增加而线性降低[6].

图5所示为30wt%BAS/SiC复合材料的裂纹扩展路径.从图中可以看出裂纹沿SiC晶粒与BAS相的晶界处偏转及裂纹尖端处SiC晶粒的拔出和裂纹桥连.裂纹偏转的路径越弯曲，越有利于复合材料力学性能的提高.另外，适当的提高烧结温度，将有利于复合材料致密度的提高，从而有利于复合材料力学性能的提高.

图5 30wt%BAS/SiC复合材料的裂纹扩展路径

3 结论

采用1800°C热压烧结工艺成功制备了不同BAS含量的SiC基复合材料.随BAS含量的增加，复合材料的致密度和力学性能都增加.SiC晶粒的拔出、裂纹偏转和裂纹桥连为复合材料的主要增韧机制.

参考文献：

[1]M.Hotta，J.Hojo.Effect of AlN additive on densification，microstructure and strength of liquid-phase sintered SiC ceramics by spark plasma sintering [J].Journal of the Ceramic Society of Japan，2009，117(1369):1009-1012.

[2]J.Ihle，M.Herrmann，J.Adler.Phase formation in porous liquid phase sintered silicon carbide:Part I:Interaction between Al2O3and SiC[J].Journal of the European Ceramic Society，2005，25(7):987-995.

[3]L.M.Liu，F.Ye，H.J.Zhang，J.Yu，Z.G.Zhang.Celsian formation in Si3N4-Ba0.75Sr0.25Si2Al2O8composites[J].Scripta Materialia，2009，60(6):463-466.

[4]F.Ye，L.M.Liu，H.J.Zhang，B.S.Wen.Thermal shock behavior of 30wt%BAS/Si3N4self-reinforced composite[J].Journal of Alloys and Compounds，2010，493(1-2):272-275.

[5]F.Ye，Y.Zhou，T.C.Lei，J.M.Yang，L.T.Zhang.Microstructure and mechanical properties of barium aluminosilicate glass-ceramic matrix composites reinforced with SiC whiskers[J].Journal of Materials Science，2001，36(10):2575-2580.

[6]J.S.Zhang，Y.Y.Zhang，M.T.Wang，F.X.Xu.Microstructure and Properties of Ceramics[M].Beijing:Chemical Industry Publishing House，2007：213.