氮化硼纳米管增韧氮化硅及其机制的研究

发布时间：2020-08-04 17:25

【摘要】：氮化硅(Si_3N_4)作为一种重要的高温结构陶瓷,由于其杰出的性能如高强度和高硬度,良好的抗氧化性,低摩擦系数,可忽略的蠕变,良好的抗热震性,良好的耐腐蚀性等而受到广泛关注。然而,Si_3N_4陶瓷的固有脆性严重限定了其应用。自碳纳米管(CNTs)1991年被发现以来,由于具有特有的物理、化学、电子学和力学性能迅速成为材料、化学和物理等领域的研究热点。许多研究成果证明,CNTs是一种具备无限前景的陶瓷材料增强相。氮化硼纳米管(BNNTs)可以想象成卷起来的六方BN层或B和N原子交替地更迭碳纳米管(CNTs)中C原子。BNNTs具有优异的弹性模量和拉伸强度,同时拥有比CNTs更优异的热稳定性和化学稳定性,因此更有望作为高温陶瓷材料的增强相。本文通过热压烧结制备了氮化硅(Si_3N_4)陶瓷,研究了烧结助剂、烧结温度和BNNTs含量对Si_3N_4陶瓷力学性能的影响。结果表明,以Al_2O_3-Gd_2O_3为烧结助剂,可获得致密度较好、抗弯强度和断裂韧性较高的氮化硅陶瓷。在1800℃之前,陶瓷的抗弯强度随着烧结温度的升高而增加。在1800℃以上,α-Si_3N_4相完全转变为β-Si_3N_4相。通过添加BNNTs,Si_3N_4陶瓷的断裂韧性得到显著提升。当BNNTs含量从0增加到0.8wt.%时,Si_3N_4陶瓷的断裂韧性从7.2增加到10.4MPa.m~(1/2)。然而,过量引入BNNTs会导致Si_3N_4陶瓷断裂韧性的降低。同时,随着BNNTs含量的增加,Si_3N_4陶瓷的相对密度和抗弯强度略有下降,但在1.2wt.%BNNTs时,陶瓷的断裂韧性和抗弯强度仍然分别保持着8.8MPa·m~(1/2)和711MPa的较高水平。另外,BNNTs对Si_3N_4陶瓷的增韧机制也进行了探讨,主要包括纳米管的桥联、拔出和裂纹偏转机制。
【学位授予单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.1;TB383.1
【图文】：

氮化硅,原子

Ｙ－Ｓｉ３Ｎ４为Ｆｄ３ｍ空间群，结构类似于立方氮化硼，是典型的尖晶石结构。Ｚｅｒｒ逡逑等运用第一性原理计算得出丫－Ｓｉ３Ｎ４的硬度比ａ－Ｓｉ３Ｎｄ0ｐ－Ｓｉ３Ｎ４更高（Ｚｅｒｒｅｔａｌ．邋１９９９）。逡逑图１－１丨四面体单元。蓝色圆圈是Ｎ原子，灰色圆圈是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逦（ｂ）邋ｐ－Ｓｉ３Ｎ４逦（ｃ）邋ｙ－ＳｂＮ４逡逑图１－２氮化硅的晶体类型。蓝色圆球是Ｎ原子，灰色圆球是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氮化硅的性质逡逑氮化硅不溶于水，溶于氢氟酸，莫氏硬度９？９．５，维氏硬度约为２２００，显微硬度逡逑为３２６３０ＭＰａ。弹性模量为２８￣４６ＧＰａ；比热容为０．７１Ｊ／（ｇ．Ｋ）；热导率为（２？１５５）Ｗ／（ｍ．Ｋ）；逡逑线膨胀系数为邋２．８￣３．２ｘｌ0－６／°Ｃ（２（ＭＯＯＯ°Ｃ）；比体积电阻，２０°Ｃ时为邋１．４ｘ１０５．ｍ，邋５００°Ｃ逡逑时为邋４ｘｌ0８．ｍ。逡逑Ｓｉ３Ｎ４没有熔点，大约在１９００°Ｃ直接升华分解为气态Ｓｉ和Ｎ２，不同温度Ｓｉ３Ｎ４分逡逑解与Ｎ２和Ｓｉ分压的平衡关系如图１－３所示（杨亮亮等．２０１４），从右下到左上的实线是等逡逑温线

四面体单元,氮化硅

逦（ｂ）邋ｐ－Ｓｉ３Ｎ４逦（ｃ）邋ｙ－ＳｂＮ４逡逑图１－２氮化硅的晶体类型。蓝色圆球是Ｎ原子，灰色圆球是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氮化硅的性质逡逑氮化硅不溶于水，溶于氢氟酸，莫氏硬度９？９．５，维氏硬度约为２２００，显微硬度逡逑为３２６３０ＭＰａ。弹性模量为２８￣４６ＧＰａ；比热容为０．７１Ｊ／（ｇ．Ｋ）；热导率为（２？１５５）Ｗ／（ｍ．Ｋ）；逡逑线膨胀系数为邋２．８￣３．２ｘｌ0－６／°Ｃ（２（ＭＯＯＯ°Ｃ）；比体积电阻，２０°Ｃ时为邋１．４ｘ１０５．ｍ，邋５００°Ｃ逡逑时为邋４ｘｌ0８．ｍ。逡逑Ｓｉ３Ｎ４没有熔点，大约在１９００°Ｃ直接升华分解为气态Ｓｉ和Ｎ２，不同温度Ｓｉ３Ｎ４分逡逑解与Ｎ２和Ｓｉ分压的平衡关系如图１－３所示（杨亮亮等．２０１４），从右下到左上的实线是等逡逑温线，从左下到右上的粗实线是Ｓｉ（ｌ）－ＳｂＮ４－Ｎ２Ｓ相共存边界线。由下面反应所决定：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

示意图,晶须,纤维增韧,示意图

晶须或纤维增韧是通过高强度、高弹性模量的晶须或者纤维材料如ＳｉＣ、ＢＮ、逡逑Ｓｉ３Ｎ４等均匀加入到基体中，构成的稳态增韧有四项基本的贡献，即裂纹偏转、拔出逡逑效应、桥联效应和脱粘。这些贡献可以通过简单的形式表达出来，如图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）逦（１－１９）逡逑式中，ｄ是晶须或纤维的脱粘长度，Ａ是晶须或纤维的拔出长度，及是晶须或纤逡逑维的半径，／晶须或纤维是体积分数，＊５是晶须或纤维‘强度’，五是晶须或纤维的逡逑弹性模量，＆是失配应变，ｎ是界面断裂能量，ｒ是分离界面滑动的阻力。第一项ｆ／Ｅ逡逑是在晶须或纤维破裂之前，在基体裂纹两侧的晶须或纤维上储存的应变能（在裂纹的逡逑两边都是Ｖ／２Ｅ）。这种应变能以声波的形式消散，从而对增韧产生影响。第二项是剥逡逑离长度内每个元件的残余应变能，由失配应变决定。当晶须或纤维失效时，这种应变逡逑能量从系统中消失，从而不依赖于＆而损害幵性。第三项是发生脱粘后消耗的的能量，逡逑这个效果是正面的。最后一项是拉出贡献

【参考文献】