ZrB2对Al2O3-ZrB2-SiC复相陶瓷室温力学性能影响
2013-11-22徐广平何江荣谢志鹏
徐广平 何江荣 魏 赛 冯 伟 谢志鹏
(1.东台市节能耐火材料厂,江苏东台2242132;2.清华大学材料科学与工程系,北京100084)
0 前言
氧化铝(Al2O3)陶瓷具有优异的室温和高温强度,良好的耐磨性和化学稳定性,较高的热导率和热膨胀系数[1-3],然而Al2O3陶瓷的脆性大,断裂韧性较低(断裂韧性一般为3MPa·m1/2),限制了其应用。硼化锆(ZrB2)为六方晶系C32型准金属结构化合物,熔点高;ZrB2陶瓷具有良好的高温性能、导热性能和较高的硬度[4]。如果将ZrB2加入到Al2O3基体中形成复合陶瓷,则既可以发挥ZrB2优良的高温性能、又可以利用硼化物对单相Al2O3具有颗粒增韧的作用。然而,ZrB2不易烧结致密,一些研究表明[5],ZrB2中加入一定量的碳化硅(SiC)有利于其烧结的致密化以及提高抗氧化性。
过去的研究主要是Al2O3/SiC以及ZrB2/SiC复相陶瓷,而Al2O3/ZrB2的研究报道却不多,Al2O3-ZrB2-SiC复相陶瓷的制备以及性能的研究更是尚未见报道。本文通过设计不同配方组成Al2O3-ZrB2-SiC复相陶瓷(简称AZS),经均匀分散和致密化烧结,通过室温力学性能分析,研究组成对AZS复相陶瓷室温抗弯强度和断裂韧性的影响。
1 实验
本实验中所用原料为:Al2O3(Al2O3)≥99.8%,d50=1.267 μm)、ZrB2(ZrB2≥92.5%,d50=3.848μm)和SiC(SiC≥99.7%,d50=0.852μm)粉体。本实验共制备了四种不同组成的Al2O3-ZrB2-SiC复相陶瓷(简称AZS)以及纯Al2O3陶瓷(简称A0),表1所示为不同AZS配方中Al2O3、ZrB2和SiC所占的体积分数之比。按照表1中原料比例配料并加入适量酒精混合后倒入尼龙球磨罐,在行星式球磨机上(转速为300r/min)球磨6h,得到混合均匀的陶瓷浆料在60℃烘箱中烘干,过80目筛后装入内表面涂有白色氮化硼(BN)石墨模具中,在多功能烧结炉上热压烧结得到AZS复相陶瓷。热压工艺参数为:采用氩气保护气氛,压力20MPa,烧结温度为1800℃,保温1h,烧结得到尺寸为Φ60mm×10mm的AZS复相陶瓷。
陶瓷室温抗弯强度的测试采用三点弯曲法,试样规格为3mm×4mm×36mm(h×b×l);断裂韧性采用单边直通切口梁法(SEPB)测试,即在试样中部沿横截面方向用金刚石内圆锯切一个切口,切口a≈0.5h,切口宽度不大于0.2mm,测试跨距L为24mm。试样规格为6mm×4mm×36mm(h×b×l),采用Archimedes法测定烧结样品的密度,用扫描电子显微镜(德国LEO-1530型SEM)分析AZS复相陶瓷室温断裂面表面微观形貌,探讨材料的性能与其微观结构的关系。
2 结果和讨论
2.1 AZS陶瓷的室温抗弯强度分析
1800℃烧结制备得到的AZS陶瓷的抗弯强度和断裂韧性随加入ZrB2含量的变化关系如图1所示。从图1可以看出,Al2O3陶瓷随着ZrB2的加入以及加入量的增加,抗弯强度略有增加,AZS3(ZrB2的加入量为20%)陶瓷具有最高的抗弯强度508.5MPa,比纯氧化铝陶瓷468.6MPa提高了8.5%。但是当ZrB2的加入量为24%时的AZS4陶瓷的强度反而下降,而且低于纯氧化铝陶瓷的强度,这与其显微结构中ZrB2晶粒出现团聚而导致烧结致密度下降有关。
表1 Al2O3-ZrB2-SiC复相陶瓷的原料组成Tab.1 Composition of Al2O3-ZrB2-SiC composite ceramics
A0、AZS1、AZS2陶瓷断裂面的背散射电子像如图2(a)和2(b)所示,其中颜色较浅的相为ZrB2,颜色较深的相为Al2O3。A0的显微结构如图2(a)右上角所示,可以看出其Al2O3晶粒尺寸大约在2~3μm。而AZS1和AZS2陶瓷中Al2O3晶粒尺寸大致在4~5μm之间,ZrB2晶粒尺寸大致在2~4μm之间,其中的Al2O3晶粒尺寸稍大于A0陶瓷中Al2O3晶粒尺寸,但Al2O3晶粒尺寸仍比较均匀,未出现晶粒异常的长大现象,这主要是由于位于Al2O3晶粒之间的ZrB2晶粒抑制了Al2O3晶粒的异常长大,Al2O3颗粒尺寸随烧结温度的提高而增大,但总体上颗粒大小仍然比较均匀。
A0陶瓷具有较高的强度主要是由于其显微结构非常致密,烧结密度较高,而且微观结构中的Al2O3晶粒细小,细化晶粒具有强化的作用。因为陶瓷晶粒细化后,材料中的晶粒数目大大增加,由于晶界两侧的晶粒取向并不相同,裂纹移动至此往往受阻,因而提高了材料强度。已有研究表明[6-7],氧化铝陶瓷的断裂方式为沿晶断裂(沿着晶界断裂),加入ZrB2的AZS陶瓷由于第二相ZrB2对裂纹的钉扎作用而使晶界强化,裂纹扩展总是沿着消耗能量最小的区域进行,所以断裂过程是沿晶-穿晶断裂的混合模式,这比纯氧化铝陶瓷的沿晶断裂消耗更多的能量,因而有利于抗弯强度的提高。这是氧化铝陶瓷中加入ZrB2可以改善其强度的主要原因。
另外,由图2可以看出,AZS1陶瓷的显微结构有部分的小的液滴状ZrB2晶粒位于Al2O3晶粒内,如图2(a)的箭头所指的位置,这种结构称为“晶内型”。这种“晶内型”结构产生主要是由于纳米粒子进入微米级陶瓷基体中,纳米颗粒与基体颗粒间存在数量级的差异,而且纳米颗粒在烧结过程中扩散速率小于基体颗粒的扩散速率,因而在一定温度下纳米颗粒被包裹在基体晶粒内部,形成“晶内型”结构。相关研究表明[8],由于“晶内型”结构的形成,结构中不仅包括基体晶粒间的主晶界,还包括纳米相与微米基质的次晶界。AZS1陶瓷位于晶粒中的ZrB2颗粒由于与Al2O3基体热膨胀系数的差异,烧结后在次界面上产生较大的残余应力,由于次界面处残余应力的存在,使得ZrB2颗粒周围产生许多亚晶界。在受载荷过程中,易使裂纹产生分支、绕道,消耗更多的断裂能。这种“晶内型”结构也有利于提高AZS复相陶瓷的抗弯强度。
2.2 AZS陶瓷的室温断裂韧性分析
由表1和图3中可以看出,Al2O3陶瓷随着ZrB2的加入以及加入量的增加,断裂韧性单调增加,AZS3陶瓷具有最高的断裂韧性6.65MPa·m1/2,比A0的断裂韧性值5.56MPa·m1/2提高了19.6%。但是当ZrB2的加入量为24%时的AZS4陶瓷断裂韧性反而下降,这可能也与AZS4陶瓷烧结致密度低有关。由此可见,Al2O3陶瓷中加入ZrB2能起到增韧的作用。
AZS3陶瓷断面裂纹扩展情况如图3所示。对于AZS陶瓷而言,当裂纹扩展遇到第二相ZrB2时,裂纹将会发生偏转和桥接,而且主裂纹也诱发产生细小的微裂纹,消耗了裂纹扩展能量,阻碍了裂纹的继续向前扩展。所以,AZS陶瓷中具有裂纹偏转与桥接增韧和微裂纹增韧的增韧机制,减弱了裂纹尖端的应力集中,提高了抵抗裂纹扩展的能力。此外,Al2O3陶瓷中加入ZrB2,其断裂模式由A0的沿晶断裂变成穿晶-沿晶混合断裂模式,消耗更多的能量,这也有利于其断裂韧性的改善。因此,AZS复相陶瓷的断裂韧性明显优于A0陶瓷的断裂韧性。
通过比较抗弯强度和断裂韧性的数值,可以发现,AZS复相陶瓷中,断裂韧性较高的陶瓷也相应的具有较高的抗弯强度。这可以根据脆性陶瓷材料的Griffith理论[9]进行说明:
其中,σf为抗弯强度,KIC为断裂韧性,C为缺陷或裂纹半径,Y为几何因子。因此,当陶瓷中缺陷尺寸不变时,抗弯强度和断裂韧性理应有相同的变化关系。
3 结论
本研究通过测试得到不同组成的AZS复相陶瓷以及A0陶瓷的密度、相对密度以及主要室温力学性能发现:Al2O3-SiC系陶瓷随着ZrB2的加入以及加入量的增加,抗弯强度和断裂韧性先单调增加,其中AZS3陶瓷具有最高的强度和韧性,分别为508.5MPa和6.65MPa·m1/2,相比纯氧化铝陶瓷的468.6MPa和5.56 MPa·m1/2提高了8.5%和19.6%。继续增加ZrB2含量,AZS陶瓷的强度和韧性均出现下降。
1 葛伟青.特种陶瓷材料的研究进展.中国陶瓷工业,2010,17(5):71~74
2 田志英.制备工艺对高纯氧化铝陶瓷性能的影响.第十五届学术年会军用微波管研讨会论文集(下册),2005
3 王英姿,陶文宏,吴波.评价氧化铝陶瓷性能与显微结构的关系.实验技术与管理,2002,19(4):51~53
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5 周长灵,陈之强,王英姿.无压烧结硼化锆基ZrB2-SiC复相陶瓷的结构与性能.硅酸盐通报,2006,2:16~18
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