稀土硅酸盐化合物改性氮化硼基复合材料的制备与性能研究

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氮化硼(BN)作为一种重要的陶瓷材料一直以来被人们广泛研究。在众多BN相中,以六方氮化硼(h-BN)最为稳定。由于h-BN具有优异的耐高温性、抗热震性、高的热导率、低的介电常数和介电损耗、良好的化学稳定性、无毒性以及可加工等特性,已被广泛应用于诸多工程领域。然而,h-BN较低的硬度和强度限制了其应用范围。加入第二硬质颗粒被认为是一种有效地改善材料力学性能的途径。不仅如此,材料的耐磨性和抗侵蚀性也可以得到一定程度的改善。  稀土硅酸盐化合物(RE2SiO5、RE2Si2O7,RE=Sc、Y及镧系元素)在硅酸盐陶瓷的发展史上具有重要地位。由于其优异的发光性能,最初的研究着重于在等离子显示器、激光和高能发光材料领域的应用。近年来,稀土硅酸盐作为SiC和Si3N4陶瓷烧结的重要晶界相,其种类和成分在很大程度上影响着材料的高温力学性能。最近对于块体材料的性能研究表明,该类材料具有较低的硬度和适中的强度,同时具有较好的抗损伤容限特性,因此被认为是一种“可加工”陶瓷材料。本论文尝试通过引入稀土硅酸盐化合物来改性氮化硼基体。  首先,以Yb2O3、SiO2和h-BN为原料,系统研究了Yb-Si-O体系中Yb2SiO5和Yb2Si2O7两种硅酸盐与h-BN基体复合的原位反应热压制备工艺、材料微观结构和性能。在h-BN/Yb2SiO5复合材料的制备过程中发现,h-BN参与了原料间的反应,并导致材料介电性能变差;而h-BN/Yb2Si2O7-SiO2复合材料则表现出较好的化学相容性以及优良的室温力学性能。强度的提高归因于Yb2Si2O7具有较高的弹性模量以及相界面具有良好结合等因素。不仅如此,含有20 vol.%Yb2Si2O7的复合材料表现出了较高的抗损伤特性。  其次以Y2O3、SiO2和h-BN为原料,通过原位反应热压法成功制备了h-BN/Y2SiO5复合材料。由于h-BN原料表面存在少量B2O3杂质,使得在高h-BN含量时复合材料中出现YBO3相。显微观察发现复合材料中的h-BN基面间和h-BN与Y2SiO5界面处存在较多微裂纹。即便如此,h-BN/Y2SiO5复合材料的力学性能依旧随着Y2SiO5含量的增多有不同程度的改善。然而由于第二相的存在及晶粒细化的影响,材料的介电常数和介电损耗有所增大。  对h-BN/30 vol.% Y2SiO5复合材料高温性能的研究表明,在~1200℃以下,复合材料的高温弹性模量和弯曲强度随着温度的升高而增加。复合材料弹性模量的增加归因于升温过程中微裂纹的愈合及其导致的材料致密度的提高;而高温弯曲强度的提升不仅由于内部缺陷发生愈合,而且在较高温度下,材料表面能够形成液态玻璃相,从而产生自愈合效果。复合材料的热膨胀系数和热导率表现出很强的各向异性特征。总体上,Y2SiO5的加入提高了材料的热膨胀系数、降低了热导率。  采用Si3N4作为烧结添加剂,对h-BN/30 vol.%Y2SiO5复合材料做了进一步改性处理。研究表明,Si3N4的加入对原料中的h-BN起到了一定程度的纯化作用,这是由于Si3N4与基体表面少量的B2O3反应生成了BN和SiO2。特别地,当Si3N4加入量为0.3 wt.%时,与未改性时相比,复合材料不仅保持了原有良好的高温力学特性,室温力学性能也获得了明显提高。然而过多的烧结添加剂又会引起复合材料中孔洞等结构缺陷的增多,致使材料强度变差。  由于本工作中的稀土硅酸盐化合物改性氮化硼基复合材料均保持着较低的硬度,同时材料的断裂韧性得到了不同程度的改善,因此所有复合材料均具有优良的可加工性能。
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