金属间化合物增韧陶瓷材料的效果与机理.pdf

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编号:20181122112221852124    类型:共享资源    大小:121.77KB    格式:PDF    上传时间:2019-02-16
  
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陶瓷的 金属间化合物 陶瓷材料的增韧 金属间化合物的 金属材料与 材料的 增韧金属间化合物的 增韧机理 金属间 陶瓷金属间化合物增韧 陶瓷材料的 增韧和
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金属间化合物增韧陶瓷材料的效果与机理 沈建兴张炳荣刘宏王介峰 (山东轻工业学院材料系, 济南250100) 摘要金属间化合物作为结构材料近几年倍受众多研究者重视, 但作为第二相物质与结构陶 瓷形成复合材料的研究却相对较少。本文是一篇关于金属间化合物增韧陶瓷的综述文章, 对重要的金 属间化合物如 Ni3Al, Mosi2等的性能特点, 用其增韧 Al203 , si 3N4等陶瓷材料的效果、 机理作了重点分析、 评述。 关键词金属间化合物陶瓷材料复合材料 1引言 陶瓷材料的增韧方法之一是在陶瓷基质中引 入金属粒子作为第二相物质。常用的金属相包括 Al, Ag, Ni, Mo 等 [1 ~ 4] 。这些金属相虽然对基质陶 瓷有一定的增韧效果, 但由于某些金属的熔点较 低并且热膨胀系数较高如 Al, Ag 等, 与陶瓷的结 合性不好并降低材料的高温机械性能 [5] 。另外, 几乎所有的金属相的抗氧化性能都较差。当然, 也可在陶瓷基质中引入另一种陶瓷作为第二相形 成陶瓷—陶瓷复合材料, 如 Al203—TiC 系统, 但 只用陶瓷作为第二相其增韧效果是非常微小 的 [6 ~ 8] 。 近几年来本课题组尝试用金属间化合物作为 第二相增韧增强结构陶瓷材料, 系统地研究了某 些体系的结合性能、 显微结构变化情况以及室温 与高温下的机械性能 [9 ~ 14] 。 金属间化合物尤其是铝化物及硅化物最近几 年作为高温结构材料的研究倍受重视 [15] 。由于 其具有金属键与共价键共存的特性, 金属间化合 物的性能介于金属与陶瓷之间, 因而具有较好的 化学及热力学稳定性, 极好的高温抗氧化性能, 较 低的比重, 通过合金化或控制工艺过程而获得一 定的韧性, 并且在高温下仍保持较高的机械性能 特别是具有优异的高温韧性, 这样可以防止作为 高温部件的复合材料在高温条件下突然断裂起到 预报的作用。 尽管在 1995 年之前对于金属间化合物作为 第二相物质增韧陶瓷材料的研究甚少 [16] , 但上述 优良性能表明金属间化合物通过其本身的脆性韧 性转换机理, 通过控制裂纹扩展、 第二相的脱开 (debonding) 与拔出 (pull-out) 机理可使陶瓷材料的 室温—高温韧性与强度得以提高。 2金属间化合物 Ni3Al 与 Mosi2的性 能与特点 上面提到在众多的金属间化合物中, 被研究 的较多的是铝化物与硅化物, 而这两类化合物的 代表则为 Ni3Al 和 Mosi2。 Ni3Al 具有面心立方结构 (fcc) , 多晶 Ni3Al 在 室温下是脆性材料。但当在其中加入 0.1%的 B (硼) 时, 便具有相当的韧性 [17] 。另外, 在其制备 过程中通过快速凝固工艺控制显微结构也使得 Ni3Al具有相当的韧性 [18] 。Ni3 Al 还有一个重要 的特性, 即其屈服强度从室温至 700C左右随温 度升高而增加 [19] 。 Mosi2是能用于高温环境下的硅化物中的关 键材料。其熔点为 2030C, 高温下具有优良的抗 氧化性能, 其抗氧化性能与机理类似于高温结构 陶瓷 siC、 si3N4等。Mosi2在室温下表现为脆性材 料, 在 1000C左右发生脆性—韧性转变, 在此温 度之上表现出类似于金属材料的韧性 [20] 。表 1 列出了 Ni3Al 与 Mosi2的某些性能。 45 硅酸盐通报!“““ 年第 # 期综合评述 表 1? N?i?3?A?l? 与 M?O?S?i?2?的 一 般 性 能 材 料 熔 点 ( C?) 密 度 ( g?/?c?m?3?) 硬 度 H?V? ( G?P?a?) 弹 性 模 量 E? ( G?P?a?) 热 膨 胀 系 数 ( l?0?-?6?K?-?l?) B?D?T?T?!? C? N?i?3?A?1? l?3?9?0?7?.?5?0?5?.?2?0?l?7?5?l?2?.?5?7?0?0? M?O?S?i?2?2?0?3?0?6?.?2?4?7? ~? l?0?4?4?0?8?.?l?~? l?0?0?0? B?D?T?T?!?— — — ( B?r?i?t?t?1?e?-?D?u?c?t?i?1?e?-?T?r?a?D?S?i?t?i?O?D?-?T?e?m?p?e?r?a?t?u?r?e?) 脆 性 韧 性 转 变 温 度 复 合 材 料 制 备 过 程 中 选 择 第 二 相 物 质 需 要 考 虑 的 另 一 个 重 要 因 素 是 二 者 的 化 学 相 容 性 。 M?O?S?i?2? 在 几 乎 所 有 的 结 构 陶 瓷 中 ( 如 S?i?C?、 S?i?3?N?4?、 Z?r?0?2?、 A?1?2?0?3?、 莫 来 石 、 T?i?B?2?、 T?i?C? 等 ) 是 热 力 学 稳 定 的 。 而 N?i?3?A?1? 除 与 A?1?2?0?3?相 容 性 比 较 好 外 , 与 其 他 陶 瓷 都 发 生 一 定 程 度 的 化 学 反 应 。 表 2? 列 出 了 M?O?S?i?2?、 N?i?3?A?1? 与 各 种 陶 瓷 材 料 的 化 学 相 容 性 , 其 中 M?O?S?i?2? 是 在 l?6?0?0?C?左 右 的 室 温 下 计 算 或 实 验 验 证 得 到 的 数 据 , N?i?3?A?1? 则 是 对 应 于 约 l?0?0?0?C?的 数 据 。 表 2? M?O?S?i?2?与 N?i?3?A?l? 和 陶 瓷 的 相 容 性 金 属 间 化 合 物 与 下 列 陶 瓷 相 容 性 M?O?S?i?2? S?i?C? C? S?i?3?N?4? C? A?1?2?0?3? C? T?i?C? C? T?i?B?2? C? Z?r?B?2? C? N?i?3?A?1?R?R?!?C?R?R?C?/?W?R? C?: 化 学 相 容 没 有 界 面 反 应 ; C?/?W?R?: 化 学 相 容 但 有 一 定 的 界 面 反 应 ; R?: 化 学 不 稳 定 , 有 界 面 反 应 或 扩 散 ; R?!?: 可 能 性 较 大 的 估 计 。 3?A?1?2?0?3?-?N?i?3?A?1? 体 系 与 S?i?3?N?4?-?M?O?S?i?2?体 系 的 增 韧 增 强 机 理 浅 析 3?.?1?M?O?S?i?2?与 N?i?3?A?l? 的 高 温 塑 性 变 形 对 A?1?2?0?3?-?N?i?3?A?1? 与 S?i?3?N?4?-?M?O?S?i?2? 两 体 系 的 研 究 表 明 , N?i?3?A?1? 与 M?O?S?i?2?对 提 高 复 合 陶 瓷 材 料 的 高 温 机 械 性 能 起 到 了 至 关 重 要 的 作 用 。 A?1?2?0?3?-?N?i?3?A?1? 复 合 材 料 [ l?3?] 的 弹 性 模 量 从 室 温 至 8?0?0?C?基 本 不 变 , 其 抗 弯 强 度 与 断 裂 韧 性 值 从 室 温 至 6?0?0?C?变 化 很 小 , 8?0?0?C?时 断 裂 韧 性 K?I?C?达 到 最 低 4?.?0?M?P?a? · m?l?/?2?仅 为 室 温 断 裂 韧 性 的 5?0? ?, 但 从 8?0?0?C? 至 l?0?0?0?C?出 现 回 升 。 l?0?0?0?C?时 的 K?I?C?值 接 近 6?M?P?a? · m?l?/?2?, 是 纯 A?1?2?0?3?陶 瓷 相 同 温 度 下 K?I?C?值 的 2? 倍 。 除 N?i?3?A?1? 与 A?1?2?0?3?的 界 面 分 离 与 N?i?3?A?1? 受 力 拔 出 外 , N?i?3?A?1? 的 塑 性 变 形 对 提 高 材 料 性 能 起 到 图 1? A?l?2?0?3?-?N?i?3?A?l? 材 料 断 裂 面 的 扫 描 电 镜 照 片 图 2? S?i?3?N?4?-?M?O?S?i?2?材 料 1?2?0?0?C?时 断 裂 面 的 扫 描 电 镜 照 片 了 重 要 作 用 。 图 l? 为 A?1?2?0?3?-?N?i?3?A?1? 材 料 断 裂 面 的 扫 描 电 镜 照 片 , 从 中 可 以 看 出 N?i?3?A?1? 受 力 后 的 塑 性 变 形 。 M?O?S?i?2?对 S?i?3?N?4?-?M?O?S?i?2?材 料 的 高 温 性 能 的 影 响 更 为 明 显 。 材 料 的 抗 弯 强 度 随 温 度 的 升 高 而 升 高 , 直 至 l?2?0?0?C?。 l?2?0?0?C?时 的 抗 弯 强 度 值 与 室 温 值 相 比 增 加 7?0? ?。 l?2?0?0?C?后 抗 弯 强 度 值 明 显 降 低 , 但 l?4?0?0?C?时 S?i?3?N?4?-?M?O?S?i?2?的 抗 弯 强 度 仍 是 S?i?3?N?4?陶 瓷 的 2? 倍 。 对 不 同 温 度 下 的 断 裂 面 分 析 表 明 , 室 温 时 为 典 型 的 脆 性 断 裂 , l?0?0?0?C?时 , M?O?S?i?2?粒 子 表 现 出 一 定 的 塑 性 变 形 , l?2?0?0?C?时 M?O?S?i?2?的 塑 性 伸 展 已 非 常 明 显 。 图 2? 为 材 料 在 l?2?0?0?C?时 断 裂 面 的 电 镜 照 片 , 图 中 央 的 两 个 大 粒 子 为 M?O?S?i?2?。 l? 3?.?2?A?l?2?0?3?-?N?i?3?A?l? 材 料 中 的 分 离 、 拔 出 现 象 如 图 l? 所 示 , 在 A?1?2?0?3?-?N?i?3?A?1? 体 系 中 , 除 N?i?3?A?1? 的 塑 性 变 形 外 , N?i?3?A?1? 与 A?1?2?0?3?的 界 面 分 离 , N?i?3?A?1? 的 受 力 拔 出 对 消 耗 裂 纹 扩 展 能 量 提 高 材 料 的 性 能 也 有 一 定 的 影 响 。 并 且 N?i?3?A?1? 的 拔 出 现 象 随 温 度 升 高 也 表 现 的 愈 加 明 显 。 图 3? 为 A?1?2?0?3?-?N?i?3?A?1? 材 料 在 l?0?0?0?C?时 断 裂 面 的 电 镜 照 片 。 图 中 的 孔 洞 为 N?i?3?A?1? 拔 出 留 下 的 痕 迹 。 图 3? N?i?3?A?l? 在 A?l?2?0?3?-?N?i?3?A?l? 材 料 中 的 拔 出 现 象 ( 1?0?0?0?C?断 裂 面 ) 图 4? N?i?3?A?l? 粒 子 对 裂 纹 偏 转 的 作 用 3?.?3?N?i?3?A?l? 粒 子 对 裂 纹 偏 转 的 作 用 的 影 响 图 4? 展 示 了 压 痕 裂 纹 在 A?1?2?0?3?-?N?i?3?A?1? 材 料 中 的 扩 展 情 况 。 从 图 中 所 示 的 情 况 可 以 看 出 , 第 二 相 物 质 对 裂 纹 的 偏 转 起 了 很 明 显 的 作 用 , 裂 纹 的 偏 转 , 大 大 地 提 高 了 复 合 材 料 的 断 裂 能 。 图 4? 所 示 的 材 料 室 温 下 断 裂 韧 性 K?I?C?值 为 5?M?P?a? · m?l?/?2?, 而 纯 A?1?2?0?3? 陶 瓷 的 K?I?C?仅 为 3?M?P?a? · m?l?/?2?, 从 而 提 高 了 复 合 材 料 的 断 裂 韧 性 。 4?结 论 ( l?) 用 金 属 间 化 合 物 N?i?3?A?1? 和 M?O?S?i?2?分 别 增 韧 增 强 A?1?2?0?3?和 S?i?3?N?4?得 到 了 具 有 较 高 机 械 性 能 的 复 合 材 料 。 S?i?3?N?4?-?M?O?S?i?2?的 抗 弯 强 度 随 温 度 升 高 而 上 升 , l?4?0?0?C? 时 抗 弯 强 度 是 S?i?3?N?4?陶 瓷 的 2? 倍 ; 而 A?1?2?0?3?-?N?i?3?A?1? 在 其 弹 性 模 量 抗 弯 强 度 变 化 很 小 的 情 况 下 , l?0?0?0?C?的 K?I?C?为 纯 A?1?2?0?3?K?I?C?的 2? 倍 。 ( 2?) S?i?3?N?4?-?M?O?S?i?2?高 韧 性 主 要 来 源 于 M?O?S?i?2?高 温 塑 性 变 形 , 而 N?i?3?A?1?-?A?1?2?0?3?除 了 高 温 塑 性 变 形 以 外 , N?i?3?A?1? 的 拔 出 、 裂 纹 偏 转 对 裂 纹 的 扩 展 起 明 显 的 阻 碍 作 用 , 使 材 料 韧 性 增 加 。 参 考 文 献 l?T?u?a?D? W?.?H?.?, B?O?O?k? R?.?J?.?J?.?E?u?r?.?C?e?r?a?m?.?S?O?c?.?, l?9?9?0?, 6?: 3?l? 2?C?1?O?u? W?.?B?, T?u?a?D? W?.?H?.?J?.?E?u?r?.?C?e?r?a?m?.?S?O?c?.?, l?9?9?5?, l?5?: 2?9?l? 3?R?a?D?k?i?D? D?.?T?.?, S?t?i?g?1?i?c?1? J?.?J?.? P?e?t?r?a?k? D?.?R?.?, R?u?1?.?R?.?J?.?A?m?.?C?e?r?-? a?m?.?S?O?c?.?, l?9?7?l?, 5?4?: 2?7?7? 4?E?k?S?t?r?O?e?m? T?.?J?.?E?u?r?.?C?e?r?a?m?.?S?O?c?, l?9?9?3?, l?l?: 4?8?7? 5?N?i?k?O?1?O?p?O?u?1?O?S? P?.?, A?g?a?t?1?O?p?O?u?1?O?S? S?.? J?.? E?u?r?.? C?e?r?a?m?.? S?O?c?.?, l?9?9?2?, l?0?: 4?l?5? 6?K?i?m? Y?.?W?.?, 1?e?e? J?.?G?.?J?.?A?m?.?C?e?r?a?m?.?S?O?c?.?, l?9?8?9?, 7?2?: l?3?3?3? 7?W?a?1? R?.?P?.?, H?S?c?1?D?e?r? B?.? J?.?M?a?t?e?r?.?S?c?i?.?, l?9?8?0?, l?5?: 8?7?5? 8?L?S?1?i?g?a?k? T?.?, S?a?t?O?k?.?, M?O?r?i?y?O?S?1?: Y?.?J?.?M?a?t?e?r?.?S?c?i?.?L?e?t?t?.?, l?9?8?9?, 8?: 6?7?8? 9?Z?1?a?D?g? B?.?R?.?, M?a?r?i?D?O? F?.?J?.?A?m?.?C?e?r?a?m?.?S?O?c?.?, l?9?9?7?, 8?0?: 2?6?9? l?0?Z?1?a?D?g? B?.?R?.?, M?a?r?i?D?O? F?.?J?.?E?u?r?.?C?e?r?a?m?.?, l?9?9?5?, l?5?: l?0?6?5? l?l?M?a?r?i?D?O? f?.?, Z?1?a?D?g? B?.? R?.?, f?O?r?D?a?r?i? B?.? J?.? M?a?t?e?r?.? S?c?i?.?, l?9?9?6?, 3?l?: 2?2?4?7? l?2?Z?1?a?D?g? B?.?R?.?, G?i?a?1?a?D?e?1?1?a? S?.?, M?a?r?i?D?O? F?.? ( I?D?) : A?c?V?a?D?c?e?c? S?t?r?u?c?-? t?u?r?a?1? F?i?D?e?r? C?O?m?p?O?S?i?t?e?.?E?c?.?P?.?V?i?c?e?D?Z?i?D?: F?a?e?D?Z?a?, I?t?a?1?y?: l?9?9?5?.?4?2?9? ~? 4?3?6? l?3?S?g?1?a?V?O? V?.?M?.?, M?a?r?i?D?O? F?.?, Z?1?a?D?g? B?.?R?.?, G?i?a?1?a?D?e?1?1?a? S?.?M?a?t?e?r?.? S?c?i?.?E?D?g?.?, l?9?9?7?, A?2?3? 9? ~? 2?4?0?: 6?6?5? l?4?Z?1?a?D?g? B?.? R?.?, M?a?r?i?D?O? F?.?, S?g?1?a?V?O? V?.? M?.? J?.? A?m?.? C?e?r?a?m?.? S?O?c?.?, l?9?9?8?, 8?l?: l?3?4?4? l?5?M?i?S?i?O?1?e?k? W?.?, G?e?r?m?a?D? R?.?M?.?M?a?t?e?r?.?S?c?i?.?E?D?g?.?, l?9?9?l?, A?l?4?4?: l? l?6?P?e?t?r?O?V?i?c? J?.?J?.?M?a?t?e?r?.?S?c?i?, E?D?g?.?, l?9?9?5?.?A?l?9?2?/?l?9?3?: 3?l? l?7?A?O?k?i? k?.?, L?Z?u?m?i? 0?.?J?.?J?p?D?.?I?D?S?t?.?M?e?t?.?, l?9?7?9?, 4?3?: l?l?9?0? l?8?C?a?1?D? R?.? 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S?e?c?O?D?c?a?r?y? m?a?t?e?r?i?a?1? t?O? f?O?r?m? c?O?m?p?O?S?i?t?e? w?i?t?1? t?1?e? S?t?r?u?c?t?u?r?a?1? c?e?r?a?m?i?c?S?.?A?S? a? r?e?V?i?e?w? f?O?r? i?D?t?e?r?m?e?t?a?1?1?i?c?S? t?O?u?g?1?e?D?i?D?g? c?e?r?a?m?i?c?S?, t?1?i?S? p?a?p?e?r? r?e?p?O?r?t?e?c? t?1?e? r?e?S?e?a?r?c?1? r?e?S?u?1?t?S? O?f? t?1?e? a?u?t?1?O?r?S? i?D? t?1?e?S?e? y?e?a?r?S?, i?D? p?a?r?t?i?-? c?u?1?a?r?, t?1?c? c?1?a?r?a?c?t?e?r? i?S?t?i?c?S? O?f? i?m?p?O?r?t?a?D?t? i?D?t?e?r?m?e?t?a?1?1?i?c?S? S?u?c?1? a?S? N?i?3?A?1? a?D?c? M?O?S?i? 2?, t?1?e? e?f?f?e?c?t? a?D?c? m?e?c?1?a?D?i?S?m? O?f? u?S?i?D?g? t?1?e?m? t?O? t?O?u?g?1?e?D? A?1?2?0?3?a?D?c? S?i?3?N?4?c?e?r?a?m?i?c?S? w?e?r?e? r?e?V?i?e?w?e?c?.? K?e?y?W?O?r?d?S?i?D?t?e?r?m?e?t?a?1?1?i?c?S?c?e?r?a?m?i?c? t?O?u?g?1?e?D?i?D?g?c?O?m?p?O?S?i?t?e? m?a?t?e?r?i?a?1? 3?
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