BNNTs/SiC陶瓷復合材料的制備與性能研究

葉 濤，劉維良，徐兆良（景德鎮陶瓷大學，江西 景德鎮 333001）

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BNNTs/SiC陶瓷復合材料的制備與性能研究

葉 濤，劉維良，徐兆良
（景德鎮陶瓷大學，江西 景德鎮 333001）

摘 要：以SiC為基體，Y2O3和Al2O3為燒結助劑，氮化硼納米管（BNNTs）為增韌補強劑，采用噴霧造粒和干壓成型方法，通過真空無壓燒結工藝制備了BNNTs/SiC陶瓷復合材料。討論BNNTs添加量和燒結工藝對BNNTs/SiC陶瓷復合材料的致密度、微觀結構和力學性能的影響。實驗結果表明：采用單因素法得到BNNTs的最佳添加量為1.5 wt.%和壓制壓力為100 MPa，確定了最佳燒成制度為：最高溫度2050 ℃，保溫時間2.5 h。采用阿基米德排水法測試樣品密度，其相對密度達到99.0%，通過三點彎曲法和壓痕法分別測試了樣品的抗彎強度、斷裂韌性和維氏硬度。BNNTs/SiC的抗彎強度、斷裂韌性和維氏硬度分別達到了546.3 MPa、6.53 MPa·m1/2和26.8 GPa。

關鍵詞：BNNTs/SiC；陶瓷復合材料；無壓燒結

0 引 言

碳化硅陶瓷本身的脆性使得其應用受到一定限制。如何增強增韌碳化硅陶瓷材料，陶瓷科技工作者已經做了大量的研究工作，取得了較多突破性的進展，陶瓷材料的強度和韌性得到了進一步的提高。目前，常見的陶瓷材料的增韌方法主要有：顆粒彌散增韌、纖維補強增韌、相變增韌、自增韌等方法［1］，相關的研究成果均已報道，例如，碳納米管（CNTs）作為一種補強增韌材料［2］，在復合材料中，納米管的拔出和橋聯作用能夠有效的提高陶瓷材料的韌性。由于BNNTs有著與CNTs十分相似的內部結構，但是，氮化硼納米管（BNNTs）具有比CNTs更優的力學性能［3-5］，BNNTs是一種更有效的陶瓷補強增韌材料，在陶瓷增韌方面具有更廣泛的應用前景。

本論文以碳化硅（SiC）為基體、氧化鋁和氧化釔（Al2O3+Y2O3）為燒結助劑［6］、氮化硼納米管（BNNTs）為補強增韌劑［7］，經過無壓燒結的方法，制備了BNNTs/SiC陶瓷復合材料，通過一系列的優化實驗，獲得無壓燒結BNNTs/SiC陶瓷復合材料的致密化技術，并對材料的力學性能進行了測試和顯微結構進行了分析，為批量化生產性能優良的碳化硅基防彈裝甲奠定了工程技術基礎。

1 實 驗

1.1 原 料

SiC粉，純度為≥99.3%，D50≤10 μm，濰坊永昊碳化硅微粉有限公司；BNNTs，純度為≥85%，直徑30-350 nm，本實驗室自制；Al2O3，純度為≥99%，D50≤10 μm，上海誼恒工貿有限公司精細化工廠；Y2O3，純度為≥99%，D50≤10 μm，贛州市德施普新材料資源有限公司；無水乙醇，純度≥99.7%，AR，上海久億化學試劑有限公司。

1.2 樣品制備

按SiC粉含量分別為91wt.%、90.5wt.%、90wt.%、89.5wt.%、89wt.%，BNNTs含量分別為0wt.%、0.5wt.%、1wt.%、1.5wt.%、2wt.%，Al2O3和Y2O3粉含量均為6wt.%和3wt.%進行配料，采用濕法球磨，先將SiC粉、Al2O3和Y2O3粉的混合料球磨15 h，加入PEI分散好的BNNTs，再球磨30 min，轉速200 r/min。經過噴霧干燥，100 MPa干壓成型后，放入真空無壓燒結爐中在設定的燒成制度下燒結。無壓燒結工藝參數為溫度2050 ℃，保溫2.5 h。

1.3 性能測試

樣品經金剛石砂輪切割、粗磨、細磨和拋光制成4×3×37mm的標準樣條。應用阿基米德原理測試樣品密度；采用日本FV-700型維氏硬度計測試樣品硬度和斷裂韌性；采用西安力創儀器有限公司10KN微機控制萬能電子試驗機測試樣品抗彎強度；采用JSM-6700F型掃描電鏡（FE-SEM）觀察斷口形貌。

2 結果分析與討論

2.1 BNNTs含量對BNNTs/SiC陶瓷復合材料力學

性能的影響

圖1為BNNTs含量對復合材料的相對密度和維氏硬度的影響關系曲線。從圖1可知，隨著BNNTs含量的增加，復合材料的相對密度和維氏硬度先增大后減小。在1.5wt.%時，相對密度和維氏硬度出現最大值，分別為99.0%和26.8 GPa。其原因是添加適量經過分散處理的BNNTs，使SiC陶瓷致密度增加。同時，BNNTs本身的高硬度也使得復合材料的硬度不斷增加。但隨著BNNTs含量的進一步增加，納米管所引進的缺陷增多，基體孔洞增多，降低了基體的連續性，使樣品致密度降低，最終導致材料的硬度下降。

圖2為BNNTs含量對復合材料抗彎強度和斷裂韌性的影響關系曲線。從圖2可知，隨著BNNTs含量的增加，復合材料的彎曲強度先增大后減小，在1.5wt.%時，彎曲強度出現最大值，為546.3 MPa。其原因是BNNTs的彈性模量和抗拉強度遠大于SiC，因此在基體承受外加載荷時，納米管可以承擔大部分應力；BNNTs的熱膨脹系數略高于SiC，使得復合材料在燒結、冷卻后BNNTs處于受拉狀態，基體處于受壓狀態，起到預應力的效果。但隨著BNNTs含量的進一步增加，基體中納米管周圍的缺陷不斷增多，裂紋尖端產生應力集中的概率增加，裂紋擴展加快，最終導致SiC陶瓷的彎曲強度有所降低。

圖1 BNNTs含量對復合材料相對密度和維氏硬度的影響Fig.1 The influence of BNNTs content on the relative density and Vickers hardness of the composite

圖2 BNNTs含量對復合材料彎曲強度和斷裂韌性的影響Fig.2 The influence of BNNTs content on the bending strength and fracture toughness of the composite

從圖2還可以得知，隨著BNNTs含量的增加，復合材料的斷裂韌性先增大后減小，在1.5wt.%時，斷裂韌性出現最大值，為6.53 MPa·m1/2。其原因是添加適量經過分散處理的BNNTs時，BNNTs能均勻地分布在基體晶界及晶粒內。在裂紋擴展過程中，由于納米管具有高強度、高模量性能，使其能夠阻止裂紋的擴展，或使裂紋偏轉。同時，納米管的拔出效應以及在斷裂處的橋聯作用協同為提高復合材料斷裂韌性做出貢獻。但隨著BNNTs含量的進一步增加，納米管團聚不斷增多，這就造成納米管周圍孔洞增大，容易誘發裂紋擴展，使復合材料的韌性下降。

2.2 BNNTs/ SiC陶瓷復合材料的顯微結構分析

圖3（a）-（e）是在成型壓力100 MPa、最高燒成溫度2050 ℃、保溫時間2.5 h下制備不同BNNTs含量樣品斷口的SEM照片。由圖3可知，隨著BNNTs含量的增加，氣孔量逐漸減少。當BNNTs添加量增加至1.5wt.%時，試樣斷面基本不含氣孔，如圖3（d）所示。表明納米管在這個添加范圍內對SiC陶瓷的致密化有促進作用。繼續增加BNNTs含量，斷面氣孔量逐漸增多，這是由于BNNTs含量的增加影響燒結時依靠塑性流動及擴散傳質的燒結中后期的傳質過程，進而阻礙燒結致密化，降低復合材料的致密度。同時，高含氧量納米管的增加使其周圍的氣孔量增多，在高溫下氣體難以排除而形成孔洞，造成基體孔隙率增加。此外，BNNTs 含量的增加會使納米管之間團聚更明顯，而這種團聚在基體中相當于尺寸為微米級的缺陷，并且這種疏松的團聚體在納米管與基體的結合處產生的孔洞缺陷增多，造成基體致密化受阻，使復合材料氣孔率增加。

圖3 不同BNNTs含量試樣的斷口SEM照片Fig.3 SEM images of the samples with different BNNTs content （a） 0wt.%， （b） 0.5wt.%， （c） 1.0wt.%， （d） 1.5wt.%， （e） 2.0wt.%

3 結 論

在干壓成型壓力為100 MPa，無壓燒結溫度為2050 ℃，保溫2.5 h下，當BNNTs含量為1.5wt.%時，BNNTs/SiC陶瓷復合材料最佳性能為：相對密度、彎曲強度、斷裂韌性和維氏硬度分別達到99.0%、546.3 MPa、6.53 MPa·m1/2和26.8 GPa。

參考文獻：

［1］ ZHANG G J， ZOU J， NI D W， et al. Boride ceramics: Densification， microstructure tailoring and properties improvement［J］. Journal of Inorganic Materials， 2012， 27（3）: 225-233.

［2］ 芳南. 聚合物基碳納米管復合材料的制備和性能研究［D］. 南昌: 南昌大學， 2009.

［3］ ARENAL R， WANG M S， XU Z， et al. Young modulus，mechanical and electrical properties of isolated individual and bundled single-walled boron nitride nanotubes［J］. Nanotechnology， 2011， 22（26）: 265704.

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［5］ CHEN Y， ZOU J， CAMPBELL S J， et al. Boron nitride nanotubes: Pronounced resistance to oxidation［J］. Applied Physics Letters， 2004， 84（13）: 2430-2432.

［6］ KRISHI N. Effective sintering aids for silicon carbide ceramics: Reactivities of silicon carbide with various additives. J Am Ceram Soc.， 1986， 69（12）: C308-310.

［7］ 曾小軍， 劉維良， 馮震乾等. BNNTS/B4C陶瓷復合材料的顯微結構和力學性能研究［J］. 陶瓷學報， 2013， 34（4）: 438-442.

通信聯系人：劉維良，男， 教授。

Received date:2016-03-16. Revised date: 2016-03-25.

Correspondent author:LIU Weiliang， male， Professor.

E-mail：174474790@qq.com

中圖分類號：TQ174.75

文獻標志碼：A

文章編號：1006-2874（2016）03-0006-04

DOI:10.13958/j.cnki.ztcg.2016.03.002

收稿日期：2016-03-16。

修訂日期：2016-03-25。

Preparation and Properties of BNNTs/SiC Composite

YE Tao， LIU Weiliang， XU Zhaoliang
（Jingdezhen Ceramic Institute， Jingdezhen 333001， Jiangxi， China）

Abstract:The BNNTs/SiC ceramic composite was prepared by spray granulation， dry press forming and vacuum pressureless sintering with SiC as matrix， Al2O3and Y2O3as sintering aids， and BNNTs as the reinforcing phase. The influence of BNNTs addition and sintering process on density， microstructure and mechanical properties were discussed. Experiments results showed that the optimal BNNTs addition amount of 1.5wt.% and the optimal processing pressure of 100MPa were obtained by single factor method， which also decided the optimum sintering schedule: the highest temperature was 2050 ℃， and the holding time was 2.5 h. The sample’s density was tested by Archimedes drainage method. The relative density was 99.0%. The bending strength， fracture toughness and Vickers hardness were tested by three point flexural method and indentation method， and the bending strength， fracture toughness and Vickers hardness were 546.3MPa， 6.53 MPa?m1/2and 26.8 GP. Key words:BNNTs/SiC； ceramic composite； pressureless sintering