两步烧结对SiC／纳米SiB6复合陶瓷性能的影响

两步烧结对SiC／纳米SiB6复合陶瓷性能的影响
张玲洁;盛建松;郭兴忠;杨辉
【摘要】SiC/SiB6 composite ceramics were synthesized by pressureless liquid phase sintering, using SiBe nanoparticles as the reinforcement and YAG as the sintering aid. The effects of two-step sintering on their sintering properties and mechanical performance were studied. Results show, two-step sintering could affect the sintering properties and mechanical performance of the composite ceramics. When the temperature of the first sintering rose from 1850℃ to 1900℃, the contractiveness, mass loss and relative density of SiC/SiBe composite ceramics increased, but the flexural strength and Vickers hardness decreased; when the temperature of the second sintering rose from 1850℃ to 1900℃, the mass loss increased, the con travenes and relative density decreased, but the flexural strength and Vickers hardness were enhanced.%以纳米SiB6颗粒为增强相，YAG为烧结助剂，采用无压液相烧结技术制备了SiC
／纳米SiB6复合陶瓷，主要研究两步烧结对复合陶瓷烧结特性和力学性能的影响。

研究结果表明，两步烧结对复合陶瓷的烧结性能和力学性能有一定的影响。

第一步烧结温度由1850℃升至1900℃，SiC／纳米SiB。

复合陶瓷的收缩率、失重率和
相对密度增加，抗弯强度和维氏硬度整体下降；而第二步烧结温度由1850℃升高
到1900℃，复合陶瓷失重率增加，收缩率和相对密度下降，抗弯强度和维氏硬度
均有所提高。

【期刊名称】《中国陶瓷工业》
【年(卷),期】2012(019)006
【总页数】4页(P18-21)
【关键词】SiC;纳米SiB6;两步烧结;烧结性能力学性能
【作者】张玲洁;盛建松;郭兴忠;杨辉
【作者单位】浙江大学材料科学与工程学系,杭州310027;浙江大学浙江加州国际纳米技术研究院,浙江杭州310029;浙江大学材料科学与工程学系,杭州310027;浙江大学材料科学与工程学系,杭州310027 浙江大学浙江加州国际纳米技术研究院,浙江杭州310029
【正文语种】中文
【中图分类】TQ174.75
0 引言
SiC陶瓷材料具有耐腐蚀、耐高温、抗热震性好等优点，但由于其本身的结构决定了它具有脆性，且在特殊工况下应用时强度不够高，而限制了其推广应用。

因此，多年来人们一直在寻找提高SiC陶瓷材料强度和韧性的方法。

近年来，人们对颗粒弥散增韧SiC复合材料进行了研究，该方法工艺简单，价格便宜，易于大规模生产和被市场接受。

已有研究表明，氮化硅（Si3N4）、氧化铝（Al2O3）、碳化钛（TiC）[1]、氮化铝（AlN）[2]、氮化钛（TiN）[3]等颗粒的含量对SiC复合陶瓷韧性和强度的影响非常显著，增加这些颗粒的质量分数和降低粒径可以提高增韧效果。

但制备高致密度陶瓷的关键在于烧结过程中对晶粒生产的控制，特别是采用纳米颗粒增强陶瓷。

传统的烧结方法容易出现晶粒异常长大现象，而近年来兴起的
放电等离子烧结、微波烧结等方法高成本、烧结温度较低等极大地限制了纳米复合陶瓷的广泛应用，从而两步烧结法得到了较大的发展和应用。

两步烧结法是将试样首先加热到一个较高的温度，使体系获得一个足以发生晶界扩散的热力学驱动力，然后快速降温至某一较低温度继续保温，即在抑制晶界迁移的同时，保持晶界扩散处于活跃状态，以实现抑制晶粒长大并完成烧结的目的；同时可以减少材料中低熔点物质的挥发，维持化学计量比[4,5]。

由于B-B键的强共价性，硼化物一般具有熔点高、硬度高的特点。

在诸多硼化物
陶瓷材料中，很多体系具有在超高温、超硬、超疏水等极限条件下应用的优势[6]。

六硼化硅（SiB6）具有抗氧化、抗热冲击、抗化学腐蚀以及优良的热电性能，尤
其在热冲击下具有很高的强度和稳定性[7]。

本文以纳米级六硼化硅（SiB6）颗粒为增强相，钇铝石榴石（YAG）为烧结助剂，采用液相烧结技术制备了SiC/纳米SiB6复合陶瓷；研究了两步烧结对SiC/纳米SiB6复合陶瓷烧结性能和力学性能的影响。

1 实验部分
1.1 实验原料
实验所用SiC粉体由山东青州微粉有限公司生产，平均粒径0.74 μm，纯度
99.8%；纳米SiB6粉体由合肥开尔纳米能源科技股份有限公司生产，平均粒径60 n m，纯度99%；氧化钇粉体由上海福钠稀土新材料公司生产，纯度99.99%；氧化铝由国药化学试剂有限公司生产，分析纯。

表1 SiC/纳米SiB6复合陶瓷的配方设计及烧结工艺Tab.1 Formula design and sintering conditions of SiC/SiB6composite ceramicsMa t e r i Al s com p o s i TiO n s(wt.%) P r o c e s s i n g co n d i TiO n s SiC n m SiB6 Al2O3 Y2O3 S 09004.35.7 S B 58554.35.7 S B 1080104.35.7 S B 2070204.35.71900℃/15 min+1850℃/60 min 1900℃/75 min 1850℃/75 min
1.2 实验过程
首先把纳米SiB6粉体加入到去离子水中，利用机械搅拌和超声分散制得纳米SiB6悬浮液；然后将其加入到SiC和YAG的料浆中进行球磨混合，分散介质为去离子水，球磨介质为碳化硅，球磨设备为L J M湿法立式搅拌磨；再将制备好的浆料用G L-75型离心式喷雾干燥机进行喷雾干燥制得SiC/纳米SiB6复合粉体，并采用Y11-63 T型四柱液压机进行成型，KJYc300/600-300型冷等静压机进行冷等静压；最后采用两步烧结法制备SiC/纳米SiB6复合陶瓷，具体成分和烧结工艺见表1。

两步烧结工艺具体为：先将温度升至1900℃保温15 min，再降至1850℃保温60 min。

为研究前后两步烧结温度对SiC/纳米SiB6复合陶瓷性能的影响，在保持陶瓷成分和总烧结时间相同的情况下，采用一步烧结工艺作为对比，分别升至1900℃和1850℃保温75 min，即保持第一步或第二步烧结温度不变的情况下，考察另一步烧结温度对SiC/纳米SiB6复合陶瓷性能的影响。

2 结果与讨论
2.1 两步烧结对烧结性能的影响
（1）第一步烧结温度对烧结性能的影响
本部分是研究在第二步烧结温度为1850℃，保温时间为60 min，第一步烧结温度分别升至1900℃和1850℃保温15 min，对SiC/纳米SiB6陶瓷烧结性能的影响。

图1为第一步烧结温度对SiC/纳米SiB6陶瓷线收缩率、相对密度及失重率影响的关系曲线。

从图中可以看出，对所有试样而言，随着第一步烧结温度升高50℃，失重率均有所提高，达2.0%左右；这可能是由于陶瓷中熔点相对较低的相随温度的升高，挥发量增大所致。

而从线收缩率和相对密度的曲线来看，提高第一
步的烧结温度，使得添加纳米SiB6颗粒的试样线收缩率和相对密度均有所增大，而对于未添加纳米颗粒的对照样S 0而言，却使得线收缩率和相对密度均有所下降。

究其原因，当温度直接升高到1900℃，S 0还未来得及排除内部的气孔而陶瓷已
经开始烧结，尽管颗粒会发生移动，但是已烧结的部分形成一个骨架，在第二步烧结温度降至1850℃时，活化能降低，使得进一步致密变得困难。

而添加纳米SiB6颗粒的试样在第一步温度升高到1900℃后，整个陶瓷基体获得了较高的活化能，颗粒扩散迅速，尽管在保温15 min后立即降至1850℃，微米SiC等颗粒活性降低，而纳米SiB6颗粒由于其颗粒粒径较小，在较低的温度下依然可以保持较高的活性，迅速地扩散，使得基体可以继续收缩、烧结，所以，随着纳米SiB6颗粒添加量的增加，线收缩率逐渐提高，从而使得相对密度也有所增加。

两者增加的比例不是完全对应，是由于相对密度不仅与线收缩率有关，还涉及到整体的收缩以及失重率等其他方面的一些因素。

（2）第二步烧结温度对烧结性能的影响
本部分是研究在第一步烧结温度为1900℃，保温时间为15 min，第二步烧结温
度分别保持1900℃和降至1850℃保温60 min，对SiC/纳米SiB6陶瓷烧结性能
的影响。

图2即为第二步烧结温度与SiC/纳米SiB6陶瓷线收缩率、相对密度及失重率的关系曲线。

从图中可以看出，在保持总烧结时间为75 min，第二步烧结温度提高50℃的情况下，失重率略微增加，但不明显，说明陶瓷中需挥发的物质在
前15 min已经分解消失；而空白对照样S 0和添加纳米SiB6颗粒的试样在线收
缩率和相对密度的变化趋势上又一次呈反向。

随着第二步烧结温度的升高，S 0的线收缩率和相对密度均有明显的增加，而添加纳米SiB6颗粒的试样却有所下降。

这可能是由于在高温下S 0具有较高的扩散速率，继续烧结收缩致密，而添加纳米
颗粒的试样由于纳米颗粒在高温下保持较长时间后挥发分解量较大，形成大量的空洞，因此，线收缩率下降，从而相对密度相应地降低。

2.2 两步烧结对力学性能的影响
（1）第一步烧结温度对力学性能的影响
图 3为将 SiC/纳米 SiB6复合陶瓷升至1900℃保温15 min，再降温至1850℃保温60 min后，与直接在1850℃烧结75 min的试样相比的抗弯强度和维氏硬度的结果。

从图中可以看出，对抗弯强度而言，前15 min的烧结温度对空白样造成了较大的影响，升高温度使其抗弯强度降低了200 MPa左右，维氏硬度降低了约4.0 GPa；添加纳米SiB6颗粒的试样除S B5的维氏硬度由于第一步烧结温度的提高而增加了约6.0 GPa之外，其他试样均无明显变化。

这可能是由于添加纳米SiB6颗粒后，由于SiB6熔点较高，所需扩散和移动的能垒较高，尽管在1950℃烧结15 min，但是不足以在很大程度上改变基体的烧结状态，因此对其抗弯强度和维氏硬度影响不大。

（2）第二步烧结温度对力学性能的影响
图4示出了第二步烧结温度对SiC/纳米SiB6陶瓷抗弯强度、维氏硬度的影响。

与第一步烧结温度较短的15 min相比，改变第二步60 min的烧结温度对所有样品的抗弯强度和维氏硬度影响较大。

总体而言，随着第二步烧结温度由1850℃升至1900℃，所有试样的抗弯强度和维氏硬度均有所增大。

然而，两种烧结工艺下抗弯强度的变化规律有一定的差异。

当第二步烧结温度依然保持在1900℃时，抗弯强度随着纳米SiB6含量的增加而降低，S 0的抗弯强度最高，为368 MPa；而第二步烧结温度降低50℃，抗弯强度呈先增大后减小的趋势，整体强度偏低，在150～250 MPa之间。

维氏硬度随着第二步烧结温度的提高而有所提高。

在两种烧结制度下，维氏硬度均随着纳米SiB6含量的增加而呈先升高后降低的趋势，当第二步烧结温度保持在
1900℃，纳米SiB6颗粒含量为5.0 wt%时，SiC复合陶瓷的维氏硬度最高，为22.5 GPa。

3 结论
（1）两步烧结对复合陶瓷的烧结性能和力学性能有一定的影响。

（2）第一步烧结温度由1850℃升高到1900℃，SiC/纳米SiB6复合陶瓷的收缩率、失重率和相对密度均有不同程度的增加，抗弯强度和维氏硬度整体呈现不同程度的下降趋势，只有添加5.0 wt%纳米SiB6颗粒的试样维氏硬度从12.5 GPa提
高至19.1 GPa。

（3）第二步烧结温度由1850℃升高到1900℃，SiC/纳米SiB6复合陶瓷的失重
率增加，收缩率和相对密度均有不同程度的下降，抗弯强度和维氏硬度均有所提高。

参考文献
【相关文献】
1 佘继红,江东亮,谭寿洪等.碳化硅陶瓷及其复合材料的热等静压烧结研究.无机材料学
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5 朱孔军,王道利,邵斌,裘进浩,季宏丽.用两步烧结法制备(K(0.4 8-x)N a(0.5 2))(N b(0.9 3-x)S b(0.0 7))O(3-x)L i T a O3无铅压电陶瓷.硅酸盐学报,2011,(12):1928～1933
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