氮化硅基連續(xù)功能梯度材料的制備及其性能研究.pdf

1、功能梯度材料具有同時(shí)滿足不同使用要求、提高材料的使用可靠性的優(yōu)點(diǎn)。但采用傳統(tǒng)制備方法獲得的梯度材料在材料內(nèi)部沿梯度方向上很難避免產(chǎn)生應(yīng)力，特別是采用層疊法制備的梯度材料，不同的層之間存在成分突變的界面導(dǎo)致產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力；而且一般方法較為繁瑣，難以控制制備過(guò)程。本文以混合均勻的原始粉體為原料，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)，合理設(shè)計(jì)燒結(jié)模具放置方式，產(chǎn)生了連續(xù)梯度變化的溫度場(chǎng)，燒結(jié)制備了不同組成成分的氮化硅基連續(xù)功能梯度材料，消除了梯度材料內(nèi)部

2、產(chǎn)生的應(yīng)力。研究了所制備的連續(xù)梯度材料的相組成、力學(xué)性能和顯微組織的變化；并研究了不同添加劑或材料組分對(duì)材料力學(xué)性能和顯微組織的影響。
　　將放電等離子燒結(jié)過(guò)程中的模具采用不對(duì)稱放置，使模具上下兩端與放電等離子燒結(jié)爐中電極接觸面積不同，可以造成模具兩端的電流密度差異較大，實(shí)現(xiàn)在模具中產(chǎn)生穩(wěn)定的溫度梯度場(chǎng)。采用混合均勻的添加20wt％BaSi2Al2O8(BAS)的氮化硅復(fù)合粉末制備了BAS/Si3N4連續(xù)功能梯度材料，材料中β-S

3、i3N4相對(duì)含量隨著距離低溫端的距離增大而增大。從低溫端β-Si3N4相對(duì)含量為12%變化到高溫端β-Si3N4相對(duì)含量為83%；材料的硬度隨著離低溫端距離的增大而減小，由低溫端的16.7GPa降低到高溫端的的12.6GPa，而斷裂韌性值則從低溫端的3.22 MPa·m1/2增大到高溫端的5.72MPa·m1/2。制備的梯度材料由低溫端中大量等軸狀的細(xì)小晶粒逐漸變化到高溫端中較大尺寸的長(zhǎng)棒狀晶粒。
　　以不同稀土氧化物和MgO作為

4、復(fù)合燒結(jié)助劑制備了(RE2O3+MgO)/Si3N4連續(xù)梯度材料。材料從低溫端到高溫端的維氏硬度從最高約為20GPa降低到最低約為15GPa，而高溫端面斷裂韌性最高達(dá)7.12MPa·m1/2，低溫面最低斷裂韌性為5.30MPa·m1/2。在材料低溫端具有大量細(xì)小的等軸狀晶粒，在沿厚度方向上，隨著離低溫端距離的增大，等軸狀晶粒逐漸減少，轉(zhuǎn)變成長(zhǎng)棒狀的晶粒，并且長(zhǎng)棒狀晶粒尺寸逐漸增大；添加Lu2O3比添加Gd2O3更容易促進(jìn)α-Si3N4→

5、β-Si3N4的相轉(zhuǎn)變，且獲得直徑較大的長(zhǎng)棒狀晶粒，而添加Gd2O3更容易獲得具有較高長(zhǎng)徑比的長(zhǎng)棒狀晶粒；在β-Si3N4相的相對(duì)含量較少的截面上，摩擦系數(shù)和摩擦磨損率都較小。
　　以均勻的原始粉體為原料，采用SPS燒結(jié)制備了SiC/Si3N4復(fù)合連續(xù)梯度材料。結(jié)果表明從材料的低溫端到高溫端存在相組成成分、維氏硬度和斷裂韌性、以及顯微組織連續(xù)梯度變化。α-SiC的存在給β-Si3N4相的生成提供了大量形核位置，但對(duì)已形核的β-Si