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碳化硅

华东理⼯⼤学2010—2011学年第_2_学期

《陶瓷基复合材料》课程论⽂2011.4

班级__信材080__学号____________姓名____________

开课学院__材料学院____任课教师__薛明俊___成绩__________

摘要：

绍了SiC晶须的定义，应⽤，以及其制备⽅法。通过碳化硅晶须在氮化硅载体中原料冷等静压成型⼯艺、⽓氛压⼒烧结⼯艺合

成碳化硅氮化硅复合材料，利⽤SMA观察了晶须的定向⽅向和复合材料的的断⼝形貌，实验结果表明，70%以上SiC晶须定向

⾓在0~10之间，具有较好的⽅向性。过⾼的烧结温度和晶须含量使材料抗弯强度降低，晶须定向⽅向的断裂韧性（单边切⼝

垂直于定向晶须）⽐横向⽅向⾼出20%。1000和500°C温差的热震实验表明，定向SiC晶须复合材料⽐随机SiC晶须复合材料

的热抗震性能⾼的多。

关键词：陶瓷基复合材料；氮化硅；碳化硅晶须；热震性能

1引⾔

氮化硅(Si3N4)陶瓷具有耐⾼温、抗氧化和抗热冲击等优良性能，在⾼温结构领域极具

应⽤前景．然⽽，由于块体陶瓷本质上的脆性将导致结构件灾难性失效，其⾼温应⽤受到极⼤的限制．因此．改善和提⾼其断

裂韧性成为Si3N4研究的主要⽬标．SiC晶须增韧Si3N4陶瓷是提⾼其断裂韧性和性能稳定性的主要途径之⼀【“”．在晶须增

韧复合材料中裂纹偏转、裂纹桥接和晶须拔出是主要的增韧机制．已有的研究表明，晶须增韧效果不仅取决于晶须的分散程

度、晶须尺⼨和体积分数．⽽且与晶须的空间位置及⽅向性密切相关M】当晶须⽅向垂直于裂纹扩展⽅向时材料的抗弯强度和

⾼温蠕变阻⼒提⾼，⽽平⾏于裂纹扩展⽅向时抗弯强度降低．进⼀步的研究表明，当SiC晶须体积分数⼀定时，晶须与某⼀⽅

向的⾓度越⼩，此⽅向上的断裂韧性值越⼤．当晶须⽅向基本⼀致且晶须与基体界⾯弱连接时，此⽅向上的断裂韧性具有极⼤

值阿因此，为了满⾜热结构件某些⽅向上的性能要求，可通过SiC晶须定向以制备出该⽅向上⾼性能的定向SiC。／Si3N4复

合材料．

本研究将SiC晶须分散于含有机物及Si3Nt粉末的混合浆料中，挤出后热压烧结制备

出定向SiC。／a3Na复合材料．其⽬的是通过晶须定向的⽅法制备出定向晶须增韧复合材料并获得某⼀⽅向上的最优⼒学性

能，

2实验⽅法

2.1实验原材料的介绍极其制备

复合材料是指⽤经过选择的、含⼀定数量⽐的两种或两种以上的组分，通过⼈⼯复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显

界⾯的、具有特殊性能的材料。陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的⼀类复合材料，以陶瓷材料为基体，纤维、

晶须、颗粒等为增强体(增韧材料)组成的复合物。。陶瓷基体可分为氮化硅、碳化硅等⾼温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐⾼

温、⾼强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，⽽其致命的弱点是具有脆性，处于应⼒状态时，会产⽣裂纹，甚⾄断

裂导致材料失效。⽽采⽤⾼强度、⾼弹性的纤维与基体复合，则是提⾼陶瓷韧性和可靠性的⼀个有效的⽅法。纤维能阻⽌裂纹

的扩展，从⽽得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料具有优异的耐⾼温性能，主要⽤作⾼温及耐磨制

品。其最⾼使⽤温

度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实⽤化或即将实⽤化的领域有⼑具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已

将长纤维增强碳化硅复合材料应⽤于制造⾼速列车的制动件，显⽰出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使⽤效果。

陶瓷基复合材料种类繁多，我们组向⼤家介绍碳化硅晶须增强氮化硅复合材料的发展、组成、⼯艺、结构与物化性能（如强

度、韧性等）关系，以及该类材料的重要⽤途。晶须是指在⼈⼯控制条件下以单晶形式⽣长成的⼀种纤维，其直径⾮常⼩（微

⽶数量级），不含有通常材料中存在的缺陷（晶界、位错、空⽳等），其原⼦排列⾼度有序，因⽽其强度接近于完整晶体的理

论值。其机械强度等于邻接原⼦间⼒。晶须的⾼度取向结构不仅使其具有⾼强度、⾼模量和⾼伸长率。晶须的强度远⾼于其他

短切纤维。

晶须如右图

碳化硅晶须是⼀种很少缺陷的，有⼀定长径⽐的单晶纤维，它具有相当好的抗⾼温性能和很⾼强度，直径⼀般为0.1～2µm,长

度为20～300µm，外观是粉末状。碳化硅晶须化学式为SiC，⼀般呈黄绿⾊或灰绿⾊；晶须纤维的直径⼀般为0.2～1.5µm，长

度为⼏⼗⾄⼏百微⽶；拉伸强度为20~58GPa，弹性模量为480GPa。

SiC晶须是⾼技术关键新材料，是⾦属基、陶瓷基和⾼聚物基等先进复合材料的增强剂,⽤于陶瓷基、⾦属基和树脂基复合材

料。已在陶瓷⼑具、航天飞机、汽车⽤零部件、化