分享：TiC含量对无压液相烧结SiC-TiC陶瓷复合材料 结构和性能的影响

韩凌锋,赵义亮,张翠萍,岳新艳,茹红强,王 伟 

(东北大学材料科学与工程学院,材料各向异性与织构教育部重点实验室,沈阳 110819) 

摘 要:以SiC粉体和 TiC粉体为原料,Al2O3-Y2O3 为烧结助剂,采用无压液相烧结技术制备 了SiC-TiC陶瓷复合材料,研究了 TiC体积分数(35%~45%)对其微观结构和性能的影响。结果 表明:陶瓷复合材料的物相组成均为 SiC、TiC、YAG(Y3Al5O12)和 YAM(Y4Al2O9);随着 TiC 含 量的增加,TiC颗粒逐渐形成连续网络结构,陶瓷复合材料的开口气孔率先减小后增大,相对密度、 抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度均先升高后降低,体积电阻率降低。当 TiC体积分数为40%时,陶 瓷复合材料具有优异的综合性能,其相对密度、开口气孔率、抗弯强度、断裂韧度、维氏硬度、体积电 阻率分别为98.1%,0.28%,429MPa,5.87MPa·m 1/2,26GPa,1.66×10 -5Ω·m。 

关键词:SiC-TiC陶瓷复合材料;无压液相烧结;微观结构;性能 中图分类号:TQ174 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)10-0034-05 

0 引 言 

SiC具有密度低,硬度高,耐腐蚀性、耐磨性、导 热性和抗氧化性优异等特点,在石油、机械、化工、微 电子、航空航天等领域得到广泛应用。但是,SiC 的 半导体特性限制了该材料在一些功能化领域方面的 应用[1-4]。SiC的电阻率可通过掺杂导电材料的方 式来改善。TiC是一种过渡金属碳化物,具有良好的导电性,并且研究[5-7]表明,在 SiC 中添加 TiC 颗 粒可有效提高陶瓷的力学性能。因此,推测在 SiC 中添加 TiC后能够获得兼具优良力学性能与导电 性能的结构-功能一体化的SiC-TiC陶瓷复合材料。 由于SiC和 TiC都存在共价键,不易烧结致密 化,需采用热压烧结、放电等离子烧结等工艺制备 SiC-TiC陶瓷复合材料[8-10],但是这些工艺具有成本 较高且不易制备形状复杂部件的缺点。无压液相烧 结工艺具有工艺简单、成本低和可制备形状复杂部 件的优势,适用于大规模工业化生产,同时与固相烧 结相比,液相烧结可加快原材料的扩散速率,降低烧 结温度[11]。因此,作者以SiC粉体和 TiC粉体为原 料、Al2O3-Y2O3 为烧结助剂,采用无压液相烧结工 艺制备含不同体积分数 TiC的SiC-TiC陶瓷复合材 料,研究了 TiC 含量对陶瓷复合材料致密性、微观 结构、力学性能和导电性能的影响,以期为开发出兼 具力学性能和导电性能的结构-功能一体化的陶瓷 材料提供试验指导。

 1 试样制备与试验方法 

试验材料包括 SiC粉体(纯度99%,中值粒径 0.5μm,市 售 )、TiC 粉 体 (纯 度 99%,中 值 粒 径 0.5μm,秦皇岛一诺高新材料有限公司生产)、Al2O3 粉体(纯度99%,中值粒径30nm,上海水田材料有限 公 司 生 产)和 Y2O3 粉 体 (纯 度 99%,中 值 粒 径 500nm,上海乃欧纳米科技有限公司生产)。按照表 1的配方称取100g原料,并各添加10g的烧结助剂 (物质的量比为5∶3的 Al2O3+Y2O3),采用 F-P400E 型卧式球磨机进行湿法球磨混料,球磨介质为去离子 水,添加聚乙烯醇作为黏结剂,球磨时间为10h,转速 为70r·min -1,球料质量比为2∶1;球磨完成后使用 WE-10A型液压机将混合粉体压制成坯体,压力为 100MPa,然后在真空石墨加热炉中进行无压液相烧 结,烧结温度为1850℃,保护气体为氩气。

采用 D/Max-Y 型 X 射 线 衍 射 仪(XRD)对 陶 瓷复合材料进行物相分析,采用铜靶,Kα 射线,工 作电压为40kV,扫描范围为20°~80°,扫描速率为0.02(°)·min -1。采用阿基米德排水法测陶瓷复 合材 料 的 体 积 密 度 和 开 口 气 孔 率。 采 用 JSM5600LV 型扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌, 并用其附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析。采 用450SVD型维氏硬度计测硬度,试验载荷为4.9N, 保载时间 为 10s,测 10 次 取 平 均 值。按 照 GB/T 4741-1999,采用 CMT5105型电子万能试验机进 行三 点 弯 曲 试 验,试 样 尺 寸 为 28 mm×4 mm× 4mm,下压速度为0.5mm·min -1,跨距为20mm, 测5次取平均值。按照 GB/T23806-2009,采用单 边切口梁法测断裂韧度,单边切口深度为试样厚度 的 1/3~1/2,下 跨 距 为 20 mm,下 压 速 度 为 0.05mm·min -1,测 5 次 取 平 均 值。 按 照 GB/T 6146-2010,采用 ZEM-3型 Seebeck系数/电阻测 试系统设备,利用四探针法测定陶瓷复合材料的体 积电阻率,测试电压为5V,测3次取平均值。 

2 试验结果与讨论 

2.1 物相组成 

由图1可知,含不同体积分数 TiC 的 SiC-TiC 陶瓷复 合 材 料 均 由 SiC、TiC、YAG(Y3Al5O12)和 YAM(Y4Al2O9)相组成,随着 TiC含量的增加,TiC 相的衍射峰强度明显增强。在烧结过程中 Al2O3 和 Y2O3 不能完全反应生成 YAG 相,还生成一定 量的中间产物 YAM 相[12]。添加 TiC 后,在 XRD 谱中未观察到由 SiC 和 TiC 形成的化合物或者固 溶体的衍射峰,说明在烧结过程中 SiC 和 TiC 未发 生明显的化学反应。 

2.2 微观结构

 由图2并结合 EDS分析结果可知,陶瓷复合材 料中白色 YAG 相或 YAM 相分布在晶界处,且黑 色SiC相 、灰 色TiC相 、YAG相 和YAM相 之 间 界面结合良好,未观察到裂纹和间隙,表明相界面之间 存在一定的结合强度。陶瓷复合材料中出现部分相 邻SiC颗粒聚集的现象,同时还存在少量 SiC 长柱 状晶粒,这是在无压液相烧结过程中溶解-沉淀机制 导致SiC晶粒择优取向生长的结果[13]。随着 TiC 含量的增加,相邻的 TiC颗粒逐渐形成连续的网络 结构。

 2.3 致密性 

图3 SiC-TiC陶瓷复合材料的相对密度和开口气孔率随 TiC 体积分数的变化曲线 Fig.3 RelativedensityandopenporosityvsTiCvolume fractioncurvesofSiC-TiCceramiccomposites 由图3可知,随着 TiC 含量的增加,陶瓷复合 材料的相对密度先增大后减小,开口气孔率先减小 后增大,在 TiC体积分数为40%时,相对密度最大, 为 98.1%,开 口 气 孔 率 最 小,为 0.28%。SiC 和 Al2O3、Y2O3 会发生反应生成气体,气体的不完全 排出会导致陶瓷复合材料中产生气孔。随着 TiC 含量的增加,体系内的SiC含量相对减少,发生反应 生成的气体减少,导致气孔率减小。但是,TiC属于 难烧结的碳化物,当其含量过高时,复合材料烧结困 难,因此当 TiC体积分数大于40%时,气孔率增大。 由图4可知,随着 TiC 含量的增加,陶瓷复合 材料的体积密度呈增大趋势。复合材料的性能与各 组分的体积分数和性能有关[14],由于 TiC 的密度 (4.93g·cm -3)大于 SiC 的密度(3.21g·cm -3),因 此SiC-TiC陶瓷复合材料的体积密度随着 TiC含量 的增加而呈增大趋势。

2.4 力学性能

 由图5可知,随着 TiC 含量的增加,陶瓷复合 材料的抗弯强度先升高后降低,当 TiC体积分数为 40%时,陶瓷复合材料的抗弯强度最大,为429MPa。 陶瓷复合材料的抗弯强度σ 与气孔率P 的关系[15] 为 σ=σ0exp(-nP) (1) 式中:σ0 为完全致密材料的理论抗弯强度,MPa;n 为经验常数。 随 TiC 含量的增加,SiC-TiC 陶瓷复合材料的 开口气孔率呈先减小后增大的趋势,由式(2)可知其 抗弯强度呈先升高后降低的趋势。由图6可知,随着 TiC 含量的增加,陶瓷复合 材料的断裂韧度先增大后减小,并且在 TiC体积分 数为40%时达到了最大值(5.87 MPa·m 1/2)。TiC 颗粒的存在使裂纹发生偏转,从而延长裂纹扩展路 径,进而起到增韧的效果。TiC 和 SiC 具有不同的 热膨胀系数,因此收缩特性也存在差异。在烧结结 束冷却到室温的过程中,TiC 和 SiC 颗粒周围会产 生残余应力,能够使裂纹尖端的应力得到松弛,从而 起到增韧的效果[16]。 

由图7可以看出:随着 TiC 含量的增加,陶瓷 复合材料的硬度先升高后降低,且当 TiC体积分数 为40%时达到最大值,为26GPa。SiC-TiC陶瓷复 合材料的硬度与致密性和物相组成有关。陶瓷复合 材料中的 TiC会抑制位错运动[17],提高陶瓷复合材 料的硬度。随着 TiC含量的增加,陶瓷复合材料的相对密度增大,硬度升高;但当 TiC 体积分数超过 40%时,气孔率增大,相对密度降低,因此其硬度又 呈下降趋势。

2.5 导电性能 

由图8 可以看出:随着 TiC 含量的增加,SiCTiC陶瓷复合材料的体积电阻率降低,当 TiC 体积 分数为45%时,体积电阻率最小,为1.16×10 -5 Ω· m。SiC为绝缘体,TiC具有良好的导电性,因此影响 复合材料导电性能的主要因素包括导电相 TiC 的 体积分数、TiC颗粒形成导电通路的数量以及气孔 率。随着 TiC含量的增加,陶瓷复合材料中 TiC颗 粒相互连接形成的连续网络导电通路增多,因此陶 瓷复合材料的体积电阻率降低;但当 TiC体积分数 大于40%时,陶瓷复合材料中气孔率的增大,导致 体积电阻率下降的速率变小[18-19]。

3结论

 (1)含不同体积分数 TiC的SiC-TiC陶瓷复合 材 料 均 由 SiC、TiC、YAG (Y3Al5O12 )和 YAM (Y4Al2O9)相组成;随着 TiC含量的增加,TiC颗粒 之间相互连接逐渐形成连续网络结构。 (2)随着 TiC 含量的增加,陶瓷复合材料的相 对密度先增加后降低,开口气孔率先减小后增大,当 TiC体积分数为40%时,陶瓷复合材料的相对密度 最大,为98.1%,开口气孔率最小,为0.28%;体积 密度随 TiC含量的增加而增大。 (3)随着 TiC含量的增加,陶瓷复合材料的抗弯 强度、断裂韧度和维氏硬度均先升高后降低,当 TiC 体积分数为40%时,陶瓷复合材料的力学性能最佳, 其抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为429MPa, 5.87MPa·m 1/2,26GPa;随着 TiC含量的增加,陶瓷 复 合 材 料 的 体 积 电 阻 率 降 低,当 TiC 体 积 分 数 为 40%时,其体积电阻率达到1.66×10 -5 Ω·m。

来源：材料与测试网