碳納米管增韌氮化硅陶瓷復(fù)合材料的研究

徐明　方斌

摘 要：納米管是一種常見的復(fù)合材料，金屬陶瓷、氮化硅和碳化硅陶瓷等高分子聚合物和陶瓷等成為復(fù)合材料體系中的重要組成部分，其具有優(yōu)異的性能，以增強(qiáng)體極限的形式存在，有較強(qiáng)的增強(qiáng)增韌的效果。因此，文章針對(duì)碳納米管增韌氮化硅陶瓷復(fù)合材料的研究，從而發(fā)揮碳納米管的潛能。

關(guān)鍵詞：碳納米管；增韌；氮化硅陶瓷；復(fù)合材料

碳納米管主要是由單層或者是多層圓柱石墨片而組成的，所以碳納米管分為單壁和多壁之分[1]。當(dāng)前，碳納米管增韌氮化硅陶瓷作為復(fù)合材料，需要人們加大對(duì)其的研究力度，進(jìn)而提升材料的抗熱震性能，并加強(qiáng)其材料的應(yīng)用，使得碳納米管氮化硅陶瓷復(fù)合材料的增韌性有明顯提升。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

本次對(duì)碳納米管增韌氮化硅陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行研究過(guò)程中，試驗(yàn)原料包含氮化硅（Si3N4）、氧化釔（Y2O3）、氧化鋁（Al2O3）、乙醇（C2H2）、石墨紙（C）、氮?dú)猓∟2）。SiN4是上海硅酸鹽研究所生產(chǎn)的， 的含量超過(guò)85%，而且費(fèi)氏粒度達(dá)到1.2μm，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在碳納米管內(nèi)加入濃硝酸和濃硫酸混合液，配比為3：1。在碳納米管中加入添加劑MgO和CeO2，試樣原料的配比具體如表1所示。

1.2 工藝流程

實(shí)驗(yàn)人員預(yù)先對(duì)碳納米管進(jìn)行處理，按照一定比例予以分配，在塑料筒內(nèi)將酒精和硬質(zhì)的合金球加以濕磨處理，磨好后的混合料在干燥的環(huán)境下過(guò)篩[2]。此外，稱取少量的粉末，將其放入石墨模具中，按照設(shè)定的燒結(jié)工藝其進(jìn)行燒結(jié)，最后，對(duì)燒結(jié)試樣的硬度、密度和韌性等指標(biāo)予以測(cè)量，并利用顯微鏡對(duì)試樣斷面的顯微結(jié)構(gòu)和晶相結(jié)構(gòu)予以分析[3]。

在燒結(jié)過(guò)程中，利用熱壓燒結(jié)方式，以15℃/min的速度將溫度分別升至1600℃、1650℃、1700℃、1750℃，保溫1h，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，保證壓力為30Mpa，然后爐內(nèi)的溫度在自然狀態(tài)下與室內(nèi)溫度一致。

1.3 測(cè)試

對(duì)試樣的測(cè)試方法具體如下：密度根據(jù)國(guó)標(biāo)GB2413-18，并結(jié)合阿基米德定律，測(cè)量干燥試樣的質(zhì)量m1，試樣吸水飽和質(zhì)量為m2，在水中的質(zhì)量為m3，然后代入公式求得試樣體積密度？籽0=m1？籽0/（m2-m3），其中，？籽0為室溫下液體水的密度，根據(jù)室溫查有關(guān)表查得 ？籽0值[4]。

燒結(jié)試樣的理論密度計(jì)算公式為：1/d=n1/d1+n2/d2+n3/d3......+nm/dm），然后利用排水法測(cè)量密度，除以理論密度就能夠求得試樣的相對(duì)密度[5]。

測(cè)量材料的斷裂韌性和硬度需要采用壓痕法，本次加載壓力為1kg，加載時(shí)間為40s，斷裂韌性的計(jì)算公式為KIC=0.016（E/HV）1/2P/b3/2。式中的Hv是硬度，GPa；E為彈性模量，MPa，P為載荷，N；B為裂紋半長(zhǎng)，單位是mm。通過(guò)用掃描電鏡對(duì)斷口形貌，在測(cè)試時(shí)，加速電壓為25kV，粉分辨率為6nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮化硅陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能

通過(guò)對(duì)碳納米管進(jìn)行試驗(yàn)研究表明，當(dāng)燒結(jié)溫度為1600℃、1650℃、1700℃時(shí)，試樣的硬度和密度隨著碳納米管的的加入而減少，碳納米管的加入不利于改善氮化硅陶瓷復(fù)合材料性能。燒結(jié)溫度為1750℃，在碳納米管中加入0.99%試樣，其斷裂韌性和硬度最佳，分別為7.47MPa°m1/2和16GPa，與未加入相比，提升了6%。如果碳納米管的加入量增加時(shí)，試樣的力學(xué)性能下降，氮化硅陶瓷的燒結(jié)溫度提升[6]。

2.2 氮化硅陶瓷復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)氮化硅陶瓷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯微觀察，晶粒發(fā)育比較良好，致密度也很高，而且有細(xì)長(zhǎng)柱狀的？茁-SiN3和等軸狀的？琢-SiN。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳納米管的作用主要為如下幾個(gè)方面，第一，能夠進(jìn)行氮化硅陶瓷材料的孔隙，復(fù)合材料的致密度低。第二，在燒結(jié)過(guò)程中，碳納米管能夠阻礙復(fù)合材料的融合，降低致密度。如果碳納米管的含量低，可以被氮化硅粉末分散，達(dá)到填充的效果，避免結(jié)團(tuán)；當(dāng)其含量增加時(shí)，致密度下降。如果碳納米管的加入量少于1%，氮化硅材料的纖維和致密度、硬度都增加；若加入量少于2%，致密度下降，并出現(xiàn)碳納米管粘連的現(xiàn)象，纖維長(zhǎng)徑比減小，隔斷了氮化硅的連續(xù)性。在本次實(shí)驗(yàn)中，碳納米管的最佳加入量為1%。試驗(yàn)的斷裂為沿晶斷裂，而且碳納米管分布不均勻，粘結(jié)較少，在斷口處能將碳納米管拔出。此外，碳納米管和氮化硅的熱膨脹匹配性較好[7]。

3 結(jié)束語(yǔ)

在1700℃熱壓下進(jìn)行燒結(jié)，并配合MgO和CeO2復(fù)合燒助劑的使用，能夠降低燒結(jié)溫度，獲取高致密度的SiN4制品。燒結(jié)溫度為1600℃、1650℃、1700℃時(shí)，碳納米管增加，但氮化硅陶瓷的相對(duì)硬度和密度減少，如果碳納米管含量為0.99%，則氮化硅陶瓷復(fù)合材料的韌性提升6%，如果過(guò)度的增加，將起到相反效果。碳納米管增韌氮化硅復(fù)合材料主要靠纖維拔出機(jī)制，從而提升氮化硅陶瓷的韌性[8]。

參考文獻(xiàn)

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