SiC掺杂SiAlON纳米复相陶瓷的制备及其显微组织结构分析

王　辰，王志会，田淑梅，王新元，温志强,刘　迪

(1.吉林化工学院 材料科学与工程学院，吉林 吉林 132022；2.大庆石化公司 信息技术中心，黑龙江 大庆 163714；3.内蒙古大唐呼伦贝尔化肥有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000；4.中电投宁夏青铜峡能源铝业集团有限公司，宁夏 青铜峡 750002；5.辽宁盘锦长连化工有限公司，辽宁 盘锦 124221)



SiC掺杂SiAlON纳米复相陶瓷的制备及其显微组织结构分析

王辰1，王志会1，田淑梅2，王新元3，温志强4,刘迪5

(1.吉林化工学院 材料科学与工程学院，吉林 吉林 132022；2.大庆石化公司 信息技术中心，黑龙江 大庆 163714；3.内蒙古大唐呼伦贝尔化肥有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000；4.中电投宁夏青铜峡能源铝业集团有限公司，宁夏 青铜峡 750002；5.辽宁盘锦长连化工有限公司，辽宁 盘锦 124221)

摘要：SiC掺杂SiAlON可以制备出高性能的纳米复相陶瓷.该陶瓷的相对密度高、硬度大和断裂韧性好.为了研究SiC作为增强相对SiAlON陶瓷性能的影响及机理，通过改变SiC添加剂的含量，采用干压成型(35 MPa、30 s)以及超高温无压烧结技术(1600 ℃、1650 ℃、1700 ℃)制得陶瓷试样.使用电子天平、维氏硬度计、SEM对其相对密度、硬度、断裂韧性和显微组织结构进行分析，以便今后获得高硬度和断裂韧性的纳米复相陶瓷.

关键词：SiAlON；SiC；干压成型；超高温无压烧结；显微结构

SiAlON陶瓷具有良好的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能及优异的化学稳定性能，这使其成为近些年科研工作者关注的焦点.但是SiAlON陶瓷仍属陶瓷类脆性材料，抗冲击韧性及抗裂纹损伤性差，这严重限制了它的应用范围[1-2].复合陶瓷材料是由两种或两种以上物理化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料，其性能往往要好于单相陶瓷材料[3-5].故本课题主要研究SiC颗粒作为增强剂添加到SiAlON基体后陶瓷的显微结构及性能变化，努力提高SiC/SiAlON纳米复合陶瓷的强度和韧性，使其在机械化工，冶金等工业领域有具有广阔的发展前景[6].

1实验部分

1.1　实验原料

实验所用原料和试验配方如表1、表2所示.

表1　基本粉料

其他辅助原料

(1) PVB：聚乙烯醇缩丁醛(polyvinyl butyral)做粘结剂.

(2) 无水乙醇(absolute ethyl alcohol)：无水乙醇密度为0.789～0.791 g·mL-1，沈阳市试剂二厂生产.

表2　试验配方(wt%)

用Wik形式表示烧结后的样品标记.符号前两位Wi代表对应样品的成分，第三位k在写a、b和c时分别代表1 600、1 650 ℃和1 700 ℃.

1.2　实验步骤

将粉料分别投入无水乙醇中，用超声波震荡仪对其进行分散处理.按比例将分散好的粉料加入预先配制的聚乙烯醇缩丁醛/无水乙醇(PVB)混合溶液中，在25 ℃恒温水浴条件下，以100 r/min的速率搅拌6 h后，置于80 ℃真空干燥箱内烘干.用球磨机对干燥后的粉料进行球磨(转速300 r/min，搅拌时间5 h)并过50目筛.用粉末压片机将粉料压成圆片形坯体.采用干压成型(35 MPa、30 s)以及超高温无压烧结技术(1 600 ℃、1 650 ℃、1 700 ℃)制得陶瓷试样.所有试样经切割后，喷金处理120 s，利用SEM技术观察试样的断口表面组织形貌.利用砂纸和台式抛光机对剩余试样断面进行磨削及抛光处理，使用维氏硬度计对试样进行压痕法测试，并计算其硬度及断裂韧性值.

2结果与讨论

2.1　SiC/SiAlON试样的宏观力学性能

烧结样品的性能测试结果见表3.

表3　烧结样品的性能测试结果

由表3可知，样品W1b的密度相对密度最大，分别为4.423 1和94.98%，试样W2c的硬度以及断裂韧性值值最大，为5.65 GPa和4.712 MPa·m1/2.这说明烧结温度的适当提高有助于其力学性能的提升.

通过图1可以看出，试样随着温度的升高相对密度先减小后增加.当相对密度达到10%则呈现一直增加的趋势.由此可知，在1 600～1 650 ℃之间，随样品烧结温度的增加相对密度先减小，而后增加的趋势.

烧结温度/℃图1　不同烧结温度下试样的相对密度

通过图2可知，在相同烧结温度下，试样的相对密度随SiC含量的增加而减小.但SiC的含量在4～8%的相对密度减小较快，而在8～10%相对密度减小的较慢，在相同烧结温度下，相对密度随SiC含量的增加而减小的原因可能是，SiC的熔点较高，在较高的烧结温度下，SiC不会很快融化，阻碍晶界间流动，导致相对密度减小.

SiC含量/%图2　不同SiC含量下试样的相对密度

通过图3可以看出同种成分的试样随烧结温度的增高而增高，并且烧结温度在1 650～1 700 ℃的增长速率低于1 600～1 650 ℃的增长速率.维氏硬度随温度的提高而增加的原因可能是高温能够促进烧结反应的进行，使得试样的致密度高，故维氏硬度也变小.

烧结温度/℃图3　不同烧结温度下试样的维氏硬度

通过图4可以看出试样的维氏硬度随掺杂物含量的增加而增加，但是增加速率却有所降低.由此可知，在4～6%范围内适量掺加SiC可以提高纳米复相陶瓷的硬度.随着掺杂量的增加，硬度提升的速率略呈下降趋势，其原因可能是多方面的.这可能是由于SiC粉体粒度相对较大，并且伴随SiC掺杂量的增加，粉体流动性变差，使得该纳米复相陶瓷硬度提升速率降低.另外一种可能是，在烧结过程中SiC的出现令晶界迁移受到阻力，晶界迁移速率降低SiC含量越高，晶界迁移速率越低，阻止了晶粒的长大，使晶粒得到了细化，由Hall-Petch公式HV=HV0+Kd-1/2求导的到增长速率HV′=-0.5Kd-3/2，通过增长速率曲线分析可知，晶粒直径d越小增长速率越慢，故SiC含量越高，试样硬度的增速降低.

SiC含量/%图4　同SiC含量下试样的维氏硬度

由图5可知，试样的断裂韧性值随烧结温度的提高而增大，在同一烧结温度下，试样断裂韧性值随掺杂物含量的增加而增大，由此可看出，SiC有利于提高SiAlON基陶瓷断裂韧性，其原因可能是在高温状态下Si4+在SiAlON与SiC离子半径不同，熔融状态下离子交换导致晶格发生显著畸变，从而促进烧结，进使试样试样的致密度提高，硬度和断裂韧性也得到了提高.

烧结温度/℃图5　不同烧结温度下试样的断裂韧性值

通过图6可知，同种成分的试样随烧结温度的提高断裂韧性值先增加后减小，并且有随烧结温度的提高断裂韧性值先增加后降低的趋势.造成这种现象的原因可能是烧结温度的提高使SiC的流动性增加，减少了试样的缺陷的存在，从而提高了试样的断裂韧性值.而后因为SiC含量增加抑制晶界流动性，导致断裂韧性值降低.

SiC含量/%图6　不同SiC含量下试样的断裂韧性值

2.2　SiC/SiAlON试样的微观显微组织结构

通过对图7(b)观察发现有大量气孔，直径大于约为50 μm，而图7(a)中只有微量气孔直径大约在10～20 μm，试样W1c比试样W4a的气孔少而小，这与上述试样W4a比试样W1c的相对密度、硬度、断裂韧性值小的结果相吻合，这说明陶瓷试样的这些性质可能与气孔有一定的关系[7-8].

(a) 试样W4a

(b)试样W1c图7　气孔的显微形貌

通过图8(a)和(b)可以看出两图中均存在白色颗粒，而图8(a)中白色颗粒大而多，颗粒在表面为分离型.而图8(b)中的颗粒小而少，颗粒在表面既有分离型又有内嵌型.并且两者均有部分位置无白色颗粒.对于平台区而言，图8(a)中平台区数量少，而图8(b)中较多，两图中平台区的形状均为不规则的，并且其分布也没有规律，图8(a)白色颗粒较大可能是因为反应温度较低，使反应中剩余较多的SiAlON，而这些SiAlON在搅拌或反应过程中发生团聚，故颗粒较大.图8(b)比图8(a)中平台较多，可能是因为试样W1c烧结温度较高，SiC含量多，并且SiC的流动性好，可以使其渗入到晶界中，故形成较多的平台.

(a) 试样W4a

(b) 试样W1c图8　平台区显微形貌

通过图9(a)可以进一步观察到图中有一较大白色颗粒，直径约为2.0 μm，图9(b)中的白色颗粒较小，直径约为1.5 μm.图9(a)和(b)中均存在直径约为0.5～1.0 μm的小颗粒.在图9(b)中白色颗粒周围有微裂纹存在，而且白色颗粒上有被切割的痕迹.这可能是因为颗粒的存在，使试样在断裂时绕开颗粒，形成平行裂纹.图9(b)中平台区较多，且平台区白色颗粒都靠近边缘.

(a) 试样W4a

(b) 试样W1c图9　白色颗粒及裂纹显微形貌

3结论

(1) 在SiC的含量为6wt%，烧成温度为1 650 ℃，保温1 h的工艺条件下可以得到相对密度在90%以上的致密化程度高、力学性能优良的SiC/SiAlON纳米复合陶瓷.

(2) 气孔相与SiC颗粒等陶瓷微观显微组织结构对陶瓷性能的提升有一定联系.

参考文献：

[1]李世普.特种陶瓷工艺学[M].武汉：武汉理工大学出版社，1990.

[2]姚志春，胡晓东，段雅峰.陶瓷膜分离技术在湿法冶金中的应用研究[J].膜科学与技术，2011，31(1)： 96-99.

[3]张志杰，苏达根.纳米-纳米复相陶瓷的制备[J].中国陶瓷,2003，39(1)：12-13.

[4]樊新民，张骋，蒋丹宇.工程陶瓷及其应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[5]刘为良.先进陶瓷工艺学[M].武汉:武汉理工大学出版社,2004.

[6]Gupta TK,Bachtold J H.,et al.Stabilization of Tetragonal Phase in Polycrystalline Zirconia[J].Material Science，1977，12(1)：2421-2426.

[7]解玉鹏.宫勋,郎成.SiC颗粒含量和粒径对浆料粘度的影响[J].吉林化工学院学报，2015,32(8):63-66.

[8]解玉鹏.层厚对SiCw/SiC层状结构陶瓷拉伸性能的影响[J].吉林化工学院学报，2015,32(4):35-37.

Preparation and Microstructure Analysis of SiC Doped

SiAlON Nanocomposite Ceramic

WANG Chen1,WANG Zhi-hui1,TIAN Shu-Mei2,

WANG Xin-yuan3,WEN Zhi-qiang4,LIU Di5

(1.College of Material Science & Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin City 132022 China；2.Infornation Technology Cernter Of Daqing Petrochemical Campany,Daqing 163714,China；3.Datang Hulunbeier Group Chemical Fertilizer Co,Ltd.,Hulunbeier 021012,China；4.China Power Investment NingXia QingTongXia Energy Aluminum Co.,LTD,Qingtongxia 750002,China；5.Liao Ning Pan Jin Cang Lian Chemical Fertilizer Co,Ltd.,Panjin 124221,China)

Abstract:High-performance nanocomposite ceramic can be prepared by SiC doping SiAlON,which has high relative density,good hardness and fracture toughness.In order to study the effects and methods of SiAlON ceramic reinforced by SiC,specimens were fabricated by changing the content of SiC additive,using dry pressing (35 MPa,30 s) and ultra-high temperature pressure sintering (1 600 ℃,1 650 ℃,1 700 ℃).The relative density,hardness,fracture toughness and microstructure of samples were analyzed by electronic scales,Vickers hardness tester,SEM(Scanning electron microscope),which can achieve high hardness and fracture toughness of nanocomposite ceramics in the future.

Key words:SiAlON；SiC；dry pressing；UHPS(ultra-high temperature pressureless sintering)；microstructure

中图分类号：TB 321

文献标志码：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.030