層厚對SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷拉伸性能的影響

解玉鵬

(吉林化工學(xué)院理學(xué)院，吉林吉林132022)

碳化硅(SiC)陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐腐蝕、耐高溫等諸多優(yōu)良特性，但固有的脆性導(dǎo)致其制品可靠性差，嚴(yán)重制約其作為結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展和應(yīng)用．因此，SiC陶瓷材料的強韌化一直是結(jié)構(gòu)陶瓷研究的熱點之一［1-2］．SiC層狀陶瓷具有良好的強韌性，既能克服SiC塊體陶瓷的脆性問題，又能有效彌補連續(xù)纖維增韌SiC陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)的非線性變形的不足，是很有發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構(gòu)陶瓷材料［3-5］．

傳統(tǒng)制備層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料的方法是熱壓燒結(jié)，該方法存在的問題顯而易見，比如:材料中晶須體積分?jǐn)?shù)較低，一般不超過30 vol．%;材料收縮較大，較難制備近凈尺寸構(gòu)件;高溫?zé)Y(jié)對增強體損傷較大，降低了增強體的性能等［6-7］．將CVI工藝引入制備SiC基體，取代傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝制備層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料，能夠有效改善上述問題，提高層狀材料的性能［8］．而在層狀材料制備過程中，對單層SiCw預(yù)制體層厚的控制，直接影響到后續(xù)CVI沉積SiC基體的產(chǎn)率，進(jìn)而影響材料的整體致密度及力學(xué)性能．

本文采用流延法和CVI制備SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料，通過改變SiCw預(yù)制體層厚，改善材料的致密度和拉伸性能，闡述SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料的強韌化機理．

1 實驗過程

1.1 實驗原料

本實驗選用純度為99．9%的SiCw為增強體，其密度為 3．22 g·cm－3，平均直徑為 1．5 μm，平均長度為18 μm．無水乙醇和甲乙酮為溶劑，磷酸三乙酯為分散劑(TEP)，聚乙烯醇縮丁醛(PVB)為粘結(jié)劑，丙三醇和鄰苯二甲基二辛酯為增塑劑，正丁醇和乙二醇為除泡劑．

1.2 制備過程

首先制備SiCw漿料:將SiCw和一定比例的溶劑、分散劑球磨6 h;待晶須分散后，加入一定比例的粘結(jié)劑、增塑劑和除泡劑，繼續(xù)球磨6 h;其次采用流延法制備SiCw薄片預(yù)制體;然后采用CVI制備SiC基體:以三氯甲基硅烷(CH3SiCl3，MTS)為源物質(zhì)，Ar為稀釋氣體，氫氣(H2)為載氣，H2和MTS的摩爾比為10 1，沉積溫度為1100℃，每爐次沉積80～100 h;最后經(jīng)交替流延-沉積，制得SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷，其總厚度為1 mm．

1.3 試樣表征

經(jīng)切割、磨削、拋光制成尺寸為1 mm×4 mm×70 mm的拉伸試樣．采用Instron 3345型單調(diào)拉伸機測試其拉伸強度，跨距為50 mm，加載速率為0．2 mm/min．利用 S-4700型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)．采用阿基米德排水法測定試樣的密度．

2 結(jié)果與討論

2.1 SiCw/SiC的拉伸性能

對于層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料，層厚是優(yōu)化設(shè)計中一個至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)單元，為此制備了3種不同層厚SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷試樣，分別為梯度厚度、中間層較厚和等厚度3種試樣．晶須體積分?jǐn)?shù)為30 vol．%，試樣的密度、開氣孔率和拉伸強度列于表1．

表1 SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷性能

由表1可知，層厚梯度變化和等厚試樣的密度和開氣孔率相近，而中間層較厚試樣的密度最低，開氣孔率最高．層厚梯度變化試樣的拉伸強度最高;層厚等厚試樣的拉伸強度居中;中間層較厚試樣的拉伸強度最低．層厚梯度變化試樣的拉伸強度比層厚等厚試樣的高21．1%，比中間層厚試樣的高53．33%．

圖1 SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的拉伸應(yīng)力-位移曲線

圖1 給出SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷拉伸應(yīng)力—位移曲線．由圖可見，梯度厚度試樣的拉伸應(yīng)力最大，中間層較厚度試樣的拉伸應(yīng)力最小，而等厚度試樣拉伸應(yīng)力居于兩者之間．對于梯度厚度和等厚度兩種試樣的拉伸行為均表現(xiàn)為線性脆性斷裂的特征．兩者的拉伸曲線都可以分為兩個階段:第一階段為線性變形階段，拉伸曲線的斜率保持恒定不變;第二階段為基體應(yīng)力飽和階段，應(yīng)力達(dá)到最大值，材料發(fā)生斷裂．而對于中間層較厚的試樣，其拉伸曲線分為三個階段:第一階段為加載的初期階段，該階段表現(xiàn)為拉伸曲線存在左尾跡．這可能是由于試驗機夾頭與試樣相對滑移造成的．調(diào)整結(jié)束后，試樣進(jìn)入線性變形階段即第二階段．當(dāng)基體裂紋飽和后，試樣進(jìn)入第三階段，發(fā)生斷裂．比較而言，當(dāng)層厚由“薄”到“厚”梯度變化時，加載過程中應(yīng)力逐漸釋放，從而提高材料的拉伸應(yīng)力．

2.2 SiCw/SiC的顯微結(jié)構(gòu)

圖2為3種不同層厚SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的斷口SEM形貌．

圖2 SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的斷口SEM形貌

由圖2可見，依據(jù)層厚的不同，材料斷口形貌有較大的不同，梯度厚度和等厚試樣的斷口更加致密．圖2(a)中斷口形貌粗糙，能夠觀察到明顯的層狀結(jié)構(gòu)階梯狀斷裂變化，這是由于層厚梯度變化，單層致密化程度不同，裂紋在每層擴展過程中阻力不同，單層之間存在應(yīng)力差，當(dāng)裂紋擴展至層間界面時，較易偏轉(zhuǎn)．而圖2(b)斷口形貌平整，這是由于中間層較厚且疏松多孔，承載能力差，當(dāng)裂紋擴展至中間層時，沿著層內(nèi)最薄弱區(qū)域擴展，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋貫穿，材料為脆性斷裂，未能發(fā)揮層狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢．3層等厚且致密性好的試樣，整體致密度高，裂紋在層內(nèi)擴展阻力大，材料強度高，如圖2(c)．

圖3是SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的斷口形貌．

圖3 SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷的斷口形貌

由圖3(a)和(c)可以看出，梯度厚度和等厚度試樣的斷口致密，形貌較粗糙，晶須拔出數(shù)量較多且拔出長度較長．而圖3(b)中試樣的斷口較疏松，晶須周圍基體較少，較難觀察到晶須拔出．這說明層厚設(shè)計直接影響到CVI過程中層狀陶瓷材料的致密度，進(jìn)而影響到裂紋沿層間和層內(nèi)偏轉(zhuǎn)，裂紋橋接和晶須拔出等增韌機制發(fā)揮作用．

3 結(jié) 論

采用流延法和CVI法相結(jié)合制備SiCw/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料，能夠有效提高晶須體積分?jǐn)?shù)，減少對增強體的損傷．通過改變單層SiCw預(yù)制體的層厚，改善層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料的致密度和拉伸性能．當(dāng)SiCw層的層厚在200～400 μm之間交替變化時，密度較高，拉伸強度最高，主要增韌機制為裂紋在層間和層內(nèi)偏轉(zhuǎn)，裂紋偏轉(zhuǎn)和晶須拔出．

［1］ Naslain R．Design，preparation and properties of nonoxide CMCs for application in engines and nuclear reactors:an overview［J］．Composites Science and Technology，2004，64:155-170．

［2］ 張立同，成來飛．連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略探討［J］．復(fù)合材料學(xué)報，2007，24(2):1-6．

［3］ 江東亮．碳化硅基復(fù)合材料［J］．無機材料學(xué)報，1995，10(2):151-163．

［4］ Clegg WJ．The fabrication and failure of laminar ceramic composites［J］．Acta metall．mater，1992，40(11):3085-3093．

［5］ Wei GC，Becher PF．Improvements in mechanical properties in SiC by the addition of TiC particles［J］．Journal of the American Ceramic Society，1984，67(8):571-574．

［6］ Zeng Y，Jiang D．Fabrication and properties of laminated Al2O3/TiC composites［J］．Ceramics International，2001，27:597-602．

［7］ Shin DW，Guo H．Fabrication and mechanical properties of silicon nitride laminate composites［J］．Journal ofCeramicProcessingResearch，2005，6(3):263-265．

［8］ Xie Y，Cheng L，Li L，et al．Fabrication of laminated SiCw/SiC ceramic composites by CVI［J］．Journal of the European Ceramic Society，2013，33:1701-1706．