高压烧结致密非晶SiBCN块体陶瓷的组织结构演化与力学性能

摘要：

非晶SiBCN陶瓷是一类独特的结构材料,具有低比重、高比强度、优异的高温损伤容限等特殊结构和性能,因此在高温防热结构部件上极具应用潜力.通过合理的结构与化学成分协同设计,可探索陶瓷形貌/微观结构演化及断裂行为的基本特征,从而进一步提高其力学性能,以满足实际应用需求.因此,文章以石墨、六方氮化硼、立方硅和硼等元素粉末为原料,提出了采用机械合金化结合高压烧结技术(1000 oC/3～5 GPa/30 min)制备致密非晶Si2ByC2N(y=1.5～4)块体陶瓷的方法.通过XRD、SEM、TEM、TG等表征手段,研究了烧结压力诱导该系非晶陶瓷的组织结构演化、相变及热稳定性,并对其力学性能,特别是断裂行为进行了详细讨论.结果表明,提高烧结压力促使陶瓷基体由完全非晶态向晶态转变,部分块体陶瓷由大量非晶相、少量c-Si和/或t-BN(C)纳米晶相组成,显示出依赖于硼含量的物相组成.高压烧结有效地促进了陶瓷的烧结致密化,导致材料内自由体积的湮灭和"河流状"断裂形貌的产生.随着烧结压力的提高,陶瓷材料的体积密度、纳米硬度和杨氏模量单调增加.在相同烧结条件下,硼含量的增加削弱了非晶Si2ByC2N(y=1.5～4)块体陶瓷的力学性能和热稳定性.1000°C/5 GPa/30 min烧结制备的致密非晶Si2B1.5C2N块体陶瓷的体积密度、纳米硬度和杨氏模量分别为2.69 g/cm3、33.6±2.2 GPa和414.2±16.5 GPa.

关键词：SiBCN、非晶陶瓷、显微结构、力学性能、硬度

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资助基金：This work was funded by the National Postdoctoral Program for Innovative Talents Grant No, BX20190095 and National Key Research and Development Program Grant No, 2017YFB0310400. Financial support from the National Natural Science Foundation of China Grant No, 51621091, 51472059. and China'

在线出版日期：2020-07-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共13页

页码：157-169