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滿足不同使用要求、提高材料的使用可靠性的優(yōu)點。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)計燒結(jié)模具放置方式，產(chǎn)生了連續(xù)梯度變化的溫度場，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)過程中的模具采用不對稱放置，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，實現(xiàn)在模具中產(chǎn)生穩(wěn)定的溫度梯度場。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相對含量為12%變化到高溫端β-Si3N4相對含量為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小晶粒逐漸變化到高溫端中較大尺寸的長棒狀晶粒。
　　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)變成長棒狀的晶粒，并且長棒狀晶粒尺寸逐漸增大；添加Lu2O3比添加Gd2O3更容易促進α-Si3N4→

5、β-Si3N4的相轉(zhuǎn)變，且獲得直徑較大的長棒狀晶粒，而添加Gd2O3更容易獲得具有較高長徑比的長棒狀晶粒；在β-Si3N4相的相對含量較少的截面上，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，但對已形核的β-Si