【摘要】：氮化硅(Si_3N_4)作為一種重要的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,由于其杰出的性能如高強度和高硬度,良好的抗氧化性,低摩擦系數(shù),可忽略的蠕變,良好的抗熱震性,良好的耐腐蝕性等而受到廣泛關(guān)注。然而,Si_3N_4陶瓷的固有脆性嚴重限定了其應(yīng)用。自碳納米管(CNTs)1991年被發(fā)現(xiàn)以來,由于具有特有的物理、化學(xué)、電子學(xué)和力學(xué)性能迅速成為材料、化學(xué)和物理等領(lǐng)域的研究熱點。許多研究成果證明,CNTs是一種具備無限前景的陶瓷材料增強相。氮化硼納米管(BNNTs)可以想象成卷起來的六方BN層或B和N原子交替地更迭碳納米管(CNTs)中C原子。BNNTs具有優(yōu)異的彈性模量和拉伸強度,同時擁有比CNTs更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,因此更有望作為高溫陶瓷材料的增強相。本文通過熱壓燒結(jié)制備了氮化硅(Si_3N_4)陶瓷,研究了燒結(jié)助劑、燒結(jié)溫度和BNNTs含量對Si_3N_4陶瓷力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,以Al_2O_3-Gd_2O_3為燒結(jié)助劑,可獲得致密度較好、抗彎強度和斷裂韌性較高的氮化硅陶瓷。在1800℃之前,陶瓷的抗彎強度隨著燒結(jié)溫度的升高而增加。在1800℃以上,α-Si_3N_4相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Si_3N_4相。通過添加BNNTs,Si_3N_4陶瓷的斷裂韌性得到顯著提升。當BNNTs含量從0增加到0.8wt.%時,Si_3N_4陶瓷的斷裂韌性從7.2增加到10.4MPa.m~(1/2)。然而,過量引入BNNTs會導(dǎo)致Si_3N_4陶瓷斷裂韌性的降低。同時,隨著BNNTs含量的增加,Si_3N_4陶瓷的相對密度和抗彎強度略有下降,但在1.2wt.%BNNTs時,陶瓷的斷裂韌性和抗彎強度仍然分別保持著8.8MPa·m~(1/2)和711MPa的較高水平。另外,BNNTs對Si_3N_4陶瓷的增韌機制也進行了探討,主要包括納米管的橋聯(lián)、拔出和裂紋偏轉(zhuǎn)機制。
【學(xué)位授予單位】：海南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ174.1;TB383.1
【圖文】：

Ｙ－Ｓｉ３Ｎ４為Ｆｄ３ｍ空間群，結(jié)構(gòu)類似于立方氮化硼，是典型的尖晶石結(jié)構(gòu)。Ｚｅｒｒ逡逑等運用第一性原理計算得出丫－Ｓｉ３Ｎ４的硬度比ａ－Ｓｉ３Ｎｄ0ｐ－Ｓｉ３Ｎ４更高（Ｚｅｒｒｅｔａｌ．邋１９９９）。逡逑圖１－１丨四面體單元。藍色圓圈是Ｎ原子，灰色圓圈是Ｓｉ原子。逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋［ＳｉＮ４］邋ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ邋ｅｌｅｍｅｎｔ．邋Ｂｌｕｅ邋ｃｉｒｃｌｅ邋ｉｓ邋Ｎ邋ａｔｏｍ，邋ｇｒａｙ邋ｃｉｒｃｌｅｓ邋ａｒｅ邋Ｓｉ逡逑ａｔｏｍｓ．逡逑（ａ）邋ａ－ＳｂＮ４邐（ｂ）邋ｐ－Ｓｉ３Ｎ４邐（ｃ）邋ｙ－ＳｂＮ４逡逑圖１－２氮化硅的晶體類型。藍色圓球是Ｎ原子，灰色圓球是Ｓｉ原子。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｔｙｐｅ邋ｏｆ邋Ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｎｉｔｒｉｄｅ．邋Ｂｌｕｅ邋ｓｐｈｅｒｅｓ邋ａｒｅ邋Ｎ邋ａｔｏｍｓ，邋ｇｒａｙ邋ｓｐｈｅｒｅｓ邋ａｒｅ邋Ｓｉ邋ａｔｏｍｓ．逡逑１．２．２氮化硅的性質(zhì)逡逑氮化硅不溶于水，溶于氫氟酸，莫氏硬度９？９．５，維氏硬度約為２２００，顯微硬度逡逑為３２６３０ＭＰａ。彈性模量為２８￣４６ＧＰａ；比熱容為０．７１Ｊ／（ｇ．Ｋ）；熱導(dǎo)率為（２？１５５）Ｗ／（ｍ．Ｋ）；逡逑線膨脹系數(shù)為邋２．８￣３．２ｘｌ0－６／°Ｃ（２（ＭＯＯＯ°Ｃ）；比體積電阻，２０°Ｃ時為邋１．４ｘ１０５．ｍ，邋５００°Ｃ逡逑時為邋４ｘｌ0８．ｍ。逡逑Ｓｉ３Ｎ４沒有熔點，大約在１９００°Ｃ直接升華分解為氣態(tài)Ｓｉ和Ｎ２，不同溫度Ｓｉ３Ｎ４分逡逑解與Ｎ２和Ｓｉ分壓的平衡關(guān)系如圖１－３所示（楊亮亮等．２０１４），從右下到左上的實線是等逡逑溫線

邐（ｂ）邋ｐ－Ｓｉ３Ｎ４邐（ｃ）邋ｙ－ＳｂＮ４逡逑圖１－２氮化硅的晶體類型。藍色圓球是Ｎ原子，灰色圓球是Ｓｉ原子。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｔｙｐｅ邋ｏｆ邋Ｓｉｌｉｃｏｎ邋ｎｉｔｒｉｄｅ．邋Ｂｌｕｅ邋ｓｐｈｅｒｅｓ邋ａｒｅ邋Ｎ邋ａｔｏｍｓ，邋ｇｒａｙ邋ｓｐｈｅｒｅｓ邋ａｒｅ邋Ｓｉ邋ａｔｏｍｓ．逡逑１．２．２氮化硅的性質(zhì)逡逑氮化硅不溶于水，溶于氫氟酸，莫氏硬度９？９．５，維氏硬度約為２２００，顯微硬度逡逑為３２６３０ＭＰａ。彈性模量為２８￣４６ＧＰａ；比熱容為０．７１Ｊ／（ｇ．Ｋ）；熱導(dǎo)率為（２？１５５）Ｗ／（ｍ．Ｋ）；逡逑線膨脹系數(shù)為邋２．８￣３．２ｘｌ0－６／°Ｃ（２（ＭＯＯＯ°Ｃ）；比體積電阻，２０°Ｃ時為邋１．４ｘ１０５．ｍ，邋５００°Ｃ逡逑時為邋４ｘｌ0８．ｍ。逡逑Ｓｉ３Ｎ４沒有熔點，大約在１９００°Ｃ直接升華分解為氣態(tài)Ｓｉ和Ｎ２，不同溫度Ｓｉ３Ｎ４分逡逑解與Ｎ２和Ｓｉ分壓的平衡關(guān)系如圖１－３所示（楊亮亮等．２０１４），從右下到左上的實線是等逡逑溫線，從左下到右上的粗實線是Ｓｉ（ｌ）－ＳｂＮ４－Ｎ２Ｓ相共存邊界線。由下面反應(yīng)所決定：逡逑Ｓｉ３Ｎ４（ｓ）＝３Ｓｉ（ｌ）＋Ｎ２（ｇ）邋ＡＧｆ邋（１－２）逡逑Ｓｉ（ｌ）邋＝邋Ｓｉ（ｖ）邋ＡＧＶ邋（１－３）逡逑２逡逑

晶須或纖維增韌是通過高強度、高彈性模量的晶須或者纖維材料如ＳｉＣ、ＢＮ、逡逑Ｓｉ３Ｎ４等均勻加入到基體中，構(gòu)成的穩(wěn)態(tài)增韌有四項基本的貢獻，即裂紋偏轉(zhuǎn)、拔出逡逑效應(yīng)、橋聯(lián)效應(yīng)和脫粘。這些貢獻可以通過簡單的形式表達出來，如圖１－４和下式逡逑（Ｃａｍｐｂｅｌｌ邋ｅｔａｌ．邋１９９０）：逡逑＾／ｆｄ邋ｘＳ２／Ｅ￣Ｅｅ２ｒ邋＋邋４ｒ／邋／Ｒ邋０邋－邋／）邋＋邋Ｔ／ｄ邋＾邋／Ｒ）邐（１－１９）逡逑式中，ｄ是晶須或纖維的脫粘長度，Ａ是晶須或纖維的拔出長度，及是晶須或纖逡逑維的半徑，／晶須或纖維是體積分數(shù)，＊５是晶須或纖維‘強度’，五是晶須或纖維的逡逑彈性模量，＆是失配應(yīng)變，ｎ是界面斷裂能量，ｒ是分離界面滑動的阻力。第一項ｆ／Ｅ逡逑是在晶須或纖維破裂之前，在基體裂紋兩側(cè)的晶須或纖維上儲存的應(yīng)變能（在裂紋的逡逑兩邊都是Ｖ／２Ｅ）。這種應(yīng)變能以聲波的形式消散，從而對增韌產(chǎn)生影響。第二項是剝逡逑離長度內(nèi)每個元件的殘余應(yīng)變能，由失配應(yīng)變決定。當晶須或纖維失效時，這種應(yīng)變逡逑能量從系統(tǒng)中消失，從而不依賴于＆而損害幵性。第三項是發(fā)生脫粘后消耗的的能量，逡逑這個效果是正面的。最后一項是拉出貢獻

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2780855