Ｔｉ3ＳｉＣ2／４ＳｉＣ復相陶瓷的高溫力學性能研究
2007-12-31 00:00:00郭雙全朱德貴
佛山陶瓷 2007年10期
摘要 為了進一步了解Ti3SiC2/nSiC復合材料優良的綜合性能，特別是其高溫力學性能，本文以熱等靜壓原位合成技術制備的Ti3SiC2/4SiC復相陶瓷為試驗材料，對其高溫拉伸和高溫彎曲行為進行研究。結果表明：Ti3SiC2/4SiC復相陶瓷的高溫抗拉強度比室溫抗拉強度高；Ti3SiC2/4SiC復相陶瓷的高溫抗彎強度在900℃出現一極大值，1000℃后具有好的高溫塑性。
關鍵詞 復相陶瓷，Ti3SiC2/SiC，力學性能，熱等靜壓
1引 言
碳化硅陶瓷材料的高溫強度高、抗蠕變、硬度高、耐磨、耐腐蝕、抗氧化、高導熱、高電導和高熱穩定性等優異性能，使其成為1400℃以上最具價值的高溫結構陶瓷，具有廣泛的應用領域[1]。但是SiC的強共價鍵使得燒結的擴散速率相當低， Hong等人[2]的研究表明，即使在2100℃的高溫下，C和SiC中的自擴散系數僅為1.5×10-10和2.5×10-13cm2/s，所以純的SiC是很難燒結致密的，而且純的SiC韌性很低，僅為3～4MPa·m1/2，其應用受到一定限制，因此，SiC復合材料得到了迅速發展[3]。近年來具有層狀結構的三元化合物Ti3SiC2由于同時具有金屬和陶瓷的許多優良性能而受到廣泛的關注[4]，將Ti3SiC2加入SiC材料中原位制備復相陶瓷成為了研究的熱點。
人們對Ti3SiC2/nSiC復相陶瓷材料的高抗氧化性、高耐磨性、高韌性等優良的高溫性能進行了一些研究，但還不夠充分。為了充分了解Ti3SiC2/nSiC復合材料優良的綜合性能，特別是其高溫性能，本文以熱等靜壓（HIP）原位合成技術制備的Ti3SiC2/4SiC復合材料[5]為實驗材料，進一步研究其高溫力學性能；同時本文將其高溫拉伸性能進行研究，為這類高溫結構材料的應用提供理論和實驗依據，為SiC材料的應用提供新的思路。
2實驗材料
本文以采用熱等靜壓（HIP）原位合成技術和過渡塑性相工藝制備的Ti3SiC2/4SiC復合材料為實驗材料。實驗采用WDW3100微控電子萬能試驗機進行測試。
3結果與討論
3.1 高溫拉伸實驗
高溫拉伸實驗采用WDW3100微控電子萬能試驗機進行。其中，常溫階段預加力20N，高溫階段保溫時間5min，預加力50N，都以恒定的0.05mm/min的加載速率進行拉伸。實驗條件與結果列于表1中。
本次高溫拉伸實驗只是探索性實驗，但從表中可以看出在高溫階段的強度不僅沒有下降，而且明顯比室溫的強度高。出現高溫抗拉強度比室溫抗拉強度高的原因分析如下：
首先，由于線切割加工的表面比較粗糙，高溫時表面被氧化，表面薄的氧化層使得表面裂紋和缺口愈合，從而減小了表層的應力集中，提高了陶瓷材料的高溫強度。其次，陶瓷材料主要由離子鍵和共價鍵組成，不易發生塑性變形，且其熔點高。高溫時，由于熱激活的作用使得材料可以產生極少量的變形，松弛了應力集中，使其具有優良的高溫性能。
金屬材料的強度隨溫度的升高而降低。因為金屬由金屬原子組成，在高溫階段，材料主要發生蠕變變形，溫度越高，原子的熱激活能越高，越容易發生原子的擴散和晶界的滑移。陶瓷材料主要由離子鍵和共價鍵組成，不易發生塑性變形，使得陶瓷材料具有優良的高溫力學性能。由于高溫階段強度沒有下降或者只有少量的降低，因此陶瓷材料適合于做高溫結構材料。
試樣2和試樣3的高溫拉伸應力-應變曲線圖繪制于圖1，其中曲線2是試樣2的高溫拉伸的應力-應變曲線，曲線3是試樣3的高溫拉伸的應力-應變曲線。
從圖1中可以看出應力-應變曲線主要是彈性部分，但總的變形量超過1%。從圖中可以明顯地看到試樣2的曲線出現了轉折點，說明在1000℃高溫時就有少量的不可逆變形。在轉折點以后不可逆變形的貢獻增大。試樣3斷裂前的總變形量與試樣2幾乎一致，達到1%這樣的大變形量，說明一樣發生了塑性變形。
Barsoum等人[8]經過研究后發現，Ti3SiC2大約在1100℃發生韌脆轉變，1300℃時在空氣中的彎曲和壓縮有超過20%的變形量，在1000℃時也顯示出相當多的塑性。因此，Ti3SiC2/4SiC和純的Ti3SiC2相比，相同溫度下的強度提高，SiC在Ti3SiC2/4SiC復相陶瓷中起到了強化的作用。Xiaohua Tong等人[9]發現利用熱壓燒結技術，1600℃熱壓燒結獲得的含量為20%SiC的高密度Ti3SiC2/SiC復合材料在1200℃具有大的塑性變形，復相陶瓷高的塑性主要歸因于Ti3SiC2相。由于本次實驗是在1000℃拉伸，溫度相對較低，因此，不能產生大量的變形。
對于一般的陶瓷材料，即使在高溫階段也只是發生彈性變形，比如SiC材料即使在1600℃也只是發生脆性斷裂[1]，具有軟金屬特性的Ti3SiC2相引入Ti3SiC2/4SiC復相陶瓷中，使得Ti3SiC2/4SiC復合材料特別適用于做高溫抗拉的結構材料。因此，高溫拉伸實驗為這類高溫結構材料的應用提供了一些理論和實驗依據，為SiC材料的應用提供了新的思路。
3.2 高溫彎曲實驗
高溫彎曲實驗在不同的溫度下進行，加載速率為0.05mm/min。由于陶瓷彎曲強度的測試值離散性較大，因此要求試樣有一定的數量，常溫試樣一般每組為10～20根，高溫試樣每組為5～10根[10]。由于本次實驗材料的限制，本實驗中每個溫度段的試樣數目為3～5個試樣。試樣的受拉面用粒度為1μm的B4C研磨劑在Precision Lapping/Polishing Machine(UNIPOL-802)上磨平。
不同溫度下測得的實驗數據列于表2中。
圖2給出了高溫階段材料的平均抗彎強度隨溫度的變化。從圖2中可以看出，隨著溫度的升高，在900℃左右出現一個極大值；在900℃以下，隨著溫度的升高，強度增加，900℃以后，強度隨溫度的提高明顯下降。本文同時測量了常溫的抗彎強度，發現在1100℃以下的強度都比常溫的彎曲強度高，溫度高于1200℃后強度低于室溫強度。其原因是：雖然Ti3SiC2[11]的熔點高達3000℃以上，但在900℃以后，由于熱激活作用，Ti3SiC2/4SiC復相陶瓷中特殊的層狀結構的三元相Ti3SiC2沿基面產生二維平面滑動，發生塑性變形，從而使強度急劇下降。從圖3中可以清楚地看出隨著溫度的升高，在900℃以后發生大的彎曲變形，特別是1200℃時的撓度是常溫下的3倍左右；同時，Ti3SiC2在1000℃以后的強烈氧化使得氧化膜增厚，降低了有效承載面積，使強度降低。Ti3SiC2/4SiC復相陶瓷材料高溫發生變形時，SiC獨特的正四面體結構不易產生變形并且可以阻止Ti3SiC2的變形，從而提高了復合材料的強度；Ti3SiC2特殊的層狀結構可以沿基面產生二維平面滑動，從而提高了復合材料的塑性。同時，高溫時表面很薄的一層氧化物能阻止裂紋的擴展，而且能降低應力集中，提高了材料的強度，使得材料在900℃以前的實際強度并不隨溫度的升高而降低。
Xiaohua Tong等人[12]利用熱壓燒結技術，于1600℃熱壓燒結獲得SiC含量為20%的高密度Ti3SiC2/SiC復合材料。從室溫到1200℃連續測量，研究發現Ti3SiC2/SiC比純的Ti3SiC2有更高的彎曲強度，在室溫下的彎曲強度為560MPa，彎曲強度要在1000℃才變化，并且在1200℃時為室溫的一半。從圖2中也可以看出，1200℃時的抗彎強度也僅為室溫的一半，從而也說明Ti3SiC2/4SiC復相陶瓷在900℃～1000℃左右及以下可以用作良好的高溫結構材料。
各個溫度段的試驗力與位移曲線如圖3所示，從圖中可以看出試樣在1000℃以前是彈性變形，1000℃以后發生塑性變形。1200℃時的曲線是典型的塑性材料的彎曲曲線：彈性部分（開始的直線部分）、塑性變形部分（緩慢上升的部分）、斷裂部分 （上升到最大值以后的下降部分），從1200℃的曲線中可以看出在斷裂前試驗力達到最大后有一個緩慢降低的過程，這說明試樣在斷裂前發生了撕裂的過程，從而說明試樣在1200℃時有極好的高溫塑性。圖4給出了在1200℃彎曲斷裂后的試樣，從圖中可看出斷裂后試樣仍然連在一起，從而也說明試樣在斷裂前是一個撕裂的過程。
4結 論
本文成功完成了高溫拉伸強度的探索性試驗，雖然由于材料的限制使得實驗數據有限，但可以說明這個尺寸是能夠做成功拉伸實驗的，在Ti3SiC2/4SiC復合材料高溫拉伸實驗方面開了一個先例，為這方面的測試提供了一個成功的例子。從高溫力學性能的測定可以得出以下結論：
（1） Ti3SiC2/4SiC復相陶瓷在1000℃的高溫抗拉強度為255.53MPa，比室溫抗拉強度高；
（2） Ti3SiC2/4SiC復相陶瓷的高溫抗彎強度在900℃以下時，隨著溫度的升高而增加，但在900℃以后隨溫度的升高抗彎強度值急劇下降，在1200℃時的抗彎強度值僅為室溫的一半；
（3） 1200℃時Ti3SiC2/4SiC復相陶瓷發生了大量的彎曲變形，高溫彎曲曲線是典型的塑性材料的彎曲曲線，顯示出良好的高溫塑性；
（4） Ti3SiC2/4SiC復相陶瓷材料發生高溫變形時，SiC獨特的正四面體結構不易產生變形并且可以阻止Ti3SiC2的變形，從而提高了復合材料的強度；Ti3SiC2特殊的層狀結構可以沿基面產生二維平面滑動，從而提高了復合材料的塑性。
參考文獻
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High Temperature Properties of Ti3SiC2/4SiC Multiphase Ceramics
Guo ShuangquanZhu Degui
（Key Laboratory of Advanced Technologies of MaterialsMinistry of Education
Southwest Jiaotong UniversityChengduSichuan 610031）
Abstract： In this paper， as the test materials which were fabricated by in situ synthesis under hot isostatic pressing (HIP)， Ti3SiC2/4SiC multiphase ceramics were further researched. The high temperature tension and flexure of the composite were studied， and the results indicated that a higher tensile strength of the composite under high temperature， compared with that under room temperature. At 900℃ a maxmium value of high temperature flexural strength， whereas after 1000℃ the composite were displayed a good high temperature plastic.
Keywords： multiphase ceramics， Ti3SiC2/SiC， mechanical properties， hot isostatic pressing
