氧化鋁晶須強化細晶氧化鋁陶瓷的放電等離子燒結研究

摘 要： 通過放電等離子燒結 (SPS) 對Al₂O₃晶須增強氧化鋁陶瓷致密化方法的研究, 以獲得細晶微觀結構為目的, 研究了晶須的加入對其常溫力學性能的影響。從中發現添加晶須阻礙顆粒重排, 顯著地阻止了Al₂O₃的燒結行為。此外由于晶須網狀結構較強的剛性邊界, 使得氧化鋁基質顆粒的內應力降低。然而, 在適宜的SPS環境下, 當Al2O3晶須含量在3%10%時能夠獲得幾乎完全致密的細晶氧化鋁陶瓷。加入3%Al₂O₃晶須的氧化鋁陶瓷硬度與純氧化鋁陶瓷 (約26GPa) 相當, 它的斷裂韌性 (5.6MPa·m^1/2) 高于純氧化鋁陶瓷 (4.2MPa·m^1/2) 。研究結果表明, 均勻分(fen)散的晶(jing)(jing)須和拔出晶(jing)(jing)須后的裂紋(wen)橋(qiao)聯被確認(ren)是主要的增韌(ren)機(ji)理。

1 前言

氧化鋁陶瓷作為結構陶瓷, 由于它優良的化學穩定性、良好的力學性能、抗氧化性以及較低的生產成本等優點已經得到了很高的關注。然而, 其固有的低斷裂韌性對于它的廣泛應用是一個限制因素。眾所周知, 通過先進的燒結技術能夠改進微觀結構, 比如, 放電等離子燒結 (SPS) 能夠提高強度、硬度和一定程度的斷裂韌性。其他有效的方法是通過加入第二相來實現改進微觀結構的目的。有幾種第二相, 可以是顆粒或者是晶須/纖維, 例如Si C顆粒-氧化鋁、Si C晶須-氧化鋁、Ta C晶須-氧化鋁、碳納米管 (CNT) -Al₂O₃、BN-Al2O3、金屬-Al₂O₃, 這些第二相添加(jia)物已經用于(yu)制備(bei)氧(yang)化(hua)鋁(lv)基(ji)(ji)復合(he)材(cai)料。據報道, 在氧(yang)化(hua)鋁(lv)基(ji)(ji)質(zhi)中加(jia)入Si C顆粒或(huo)SiC晶須(xu), 通過將(jiang)純氧(yang)化(hua)鋁(lv)多晶中的(de)(de)晶間(jian)斷(duan)裂(lie)模式轉變為氧(yang)化(hua)鋁(lv)基(ji)(ji)復合(he)材(cai)料中的(de)(de)晶間(jian)-穿晶混合(he)模式來提高硬度和斷(duan)裂(lie)韌性(xing)。此外, 較新的(de)(de)研究表明(ming), 碳納米管也是提高氧(yang)化(hua)鋁(lv)陶瓷斷(duan)裂(lie)韌性(xing)和屈服強度的(de)(de)有效添加(jia)劑, 但硬度一般是降低的(de)(de)。

在許多高溫結構應用中, 要求氧化鋁基復合材料具有較高的抗氧化性能。非氧化物第二相 (SiC、CNT或金屬) 的主要缺點是:它們在空氣中的高溫力學性能退化。而且, CNT/Al₂O₃陶瓷等氧化鋁基復合材料中氧化鋁顆粒與第二相的結合特性仍不確定, 嚴重依賴于制備工藝。實際上, 鍵合特點能影響相關的力學性能。由Si C晶須或者碳納米管 (CNT) 強化的氧化鋁陶瓷斷裂韌性的提高, 確認了對于強化氧化鋁陶瓷來說晶須是有前景的候選材料。為了克服非氧化物添加劑的缺點, 采用氧化鋁晶須/纖維是一種合適的替代方法, 這種晶須/纖維顯然不能氧化, 而且與基體不相容。意外的是, 用氧化鋁晶須強化氧化鋁陶瓷一直沒有被研究。幸運的是, 氧化鋁晶須可以用氣-液-固沉淀 (VLS) 技術制備, 它在工業領域是以成本競爭力被采用的。除此之外, Al₂O₃早已通過放電等離子燒結 (SPS) 成功的(de)(de)(de)實(shi)現致密化(hua), 并且(qie)在(zai)此基(ji)礎上, 對(dui)限制晶(jing)粒生長(chang)和提(ti)高(gao)硬度(du)的(de)(de)(de)SPS環(huan)境進行了(le)系統的(de)(de)(de)研(yan)究。因(yin)此, 利用SPS技術的(de)(de)(de)優勢(shi)制備晶(jing)須強(qiang)化(hua)的(de)(de)(de)氧化(hua)鋁(lv)陶瓷以(yi)提(ti)高(gao)力(li)(li)學(xue)性能的(de)(de)(de)做法是(shi)合理的(de)(de)(de)。本文研(yan)究了(le)Al2O3晶(jing)須的(de)(de)(de)加入對(dui)燒結性能和SPS氧化(hua)鋁(lv)復(fu)合材料常溫力(li)(li)學(xue)性能的(de)(de)(de)影響。

2 試驗過程

以純度>99.99%、粒度0.3~0.5μm的氧化鋁粉體, 比表面積5~10m²·g^-1、長度>5μm、寬徑比3∶1的氧化鋁晶須為原料。3組粉體按不同組成制備, 其一是純Al₂O₃粉體, 另外兩組分別是加入3%和10%氧化鋁晶須的Al2O3粉體。純_氧化鋁試(shi)樣(yang)標記為AW00, 3%晶(jing)須(xu)的(de)試(shi)樣(yang)標記為AW03, 10%晶(jing)須(xu)的(de)試(shi)樣(yang)標記為AW10。粉體混合(he)(he)物用Si3N4球在乙醇中球磨24h。隨(sui)后將混合(he)(he)好的(de)漿液烘干處理(li)。

然后, 已制備的氧化鋁粉體和摻入3%、10%氧化鋁晶須的球磨粉通過SPS進行了致密化處理。采用內徑15mm的石墨模具, 粉體的數量應滿足獲得一個3mm厚的全致密燒結體。在石墨模具周圍放置隔熱碳片, 以限制熱損失。用光學高溫計對石墨模具表面溫度進行了監測, 并將SPS脈沖序列設置為12∶2。SPS在動態真空中進行 (約6Pa) , 按照下面的參數進行了研究:1) 燒結溫度范圍在1 150~1400℃;2) 保壓時間在1~10min。在所有情況下, SPS是在75MPa的單軸機械壓力下進行的 (適用于整個過程, 包括加熱和冷卻過程) , 加熱速率設定為200℃·min^-1, 冷卻速率為100℃·min^-1。

試樣的(de)相對密度以蒸餾水作(zuo)為浸漬介質用阿(a)基米德法測量(liang), 微(wei)觀(guan)結構的(de)表(biao)征通過(guo)掃描電子顯微(wei)鏡(jing)檢測。用常規陶瓷圖解方(fang)法對斷裂表(biao)面和拋(pao)光噴金表(biao)面進行了(le)掃描電鏡(jing)觀(guan)察。對拋(pao)光表(biao)面進行了(le)在1 150℃下持(chi)續1min的(de)熱腐蝕, 加(jia)熱速(su)率為20℃·min-1, 冷卻(que)速(su)率為10℃·min-1。從掃描電鏡(jing)照片上測量(liang)了(le)等效平面直徑d, 計數了(le)380多(duo)個(ge)晶粒。

為了(le)(le)研究SPS過(guo)程(cheng)中的(de)燒結行(xing)為, 在(zai)同一(yi)石墨(mo)模(mo)(mo)具上進行(xing)了(le)(le)一(yi)次1300℃的(de)SPS試(shi)驗, 在(zai)加熱過(guo)程(cheng)中施加27MPa的(de)恒壓(ya)(ya) (出(chu)于安全考慮的(de)較小接(jie)觸壓(ya)(ya)力) 至1 300℃, 之后, 保壓(ya)(ya)1min以(yi)確保熱穩定性。隨后, 在(zai)保持這(zhe)個溫度(du)的(de)同時(shi), 壓(ya)(ya)力增加到(dao)100MPa, 然后降低。對(dui)(dui)溫度(du)、壓(ya)(ya)力和粉體收縮率進行(xing)了(le)(le)記錄。在(zai)模(mo)(mo)具冷(leng)卻到(dao)室溫后, 測(ce)量了(le)(le)沖頭從上到(dao)下的(de)長度(du), 并計(ji)算了(le)(le)試(shi)樣的(de)厚度(du), 同時(shi)考慮了(le)(le)兩種沖頭的(de)長度(du)。此外, 采(cai)用相同的(de)工藝(yi), 對(dui)(dui)模(mo)(mo)具、沖頭和石墨(mo)片進行(xing)了(le)(le)無(wu)粉壓(ya)(ya)坯試(shi)驗。通過(guo)這(zhe)個空白測(ce)試(shi), 對(dui)(dui)石墨(mo)元(yuan)素(su)的(de)熱膨脹和彈性變形的(de)影響進行(xing)標(biao)定。

試(shi)樣(yang)(yang)的(de)硬度和斷裂(lie)韌(ren)性(xing)使用維氏壓痕(hen)(hen)試(shi)驗機對拋(pao)光(guang)試(shi)樣(yang)(yang)進行維氏壓痕(hen)(hen)試(shi)驗, 在9.8N載荷下, 保(bao)壓時間為(wei)10s。記錄了每個試(shi)樣(yang)(yang)至(zhi)少10次的(de)硬度和斷裂(lie)韌(ren)性(xing)。硬度和韌(ren)性(xing)的(de)標準表達式為(wei):Hv=2P/a2和KIC=0.016 (E/Hv) 0.5Pc-1.5, 其中:a和c分別是殘(can)余壓痕(hen)(hen)的(de)對角線長(chang)度和光(guang)學顯(xian)微(wei)鏡測量(liang)的(de)徑(jing)向(xiang)裂(lie)紋(wen)表面長(chang)度的(de)半長(chang)度, E、P分別為(wei)楊氏模(mo)量(liang)和壓痕(hen)(hen)載荷。

3 結果

3.1 燒結行為

表1列出了不同SPS條件下燒(shao)結體的相對密度、平均晶粒尺寸和(he)粒度分布結果。

表1 SPS法制備AW00、AW03、AW10氧化鋁基陶瓷的工藝條件和顯微結構特征

圖1 (a) 和 (b) 繪制了相對密度和晶粒尺寸隨保壓時間的變化曲線, 測試溫度為1 300℃。另外, 圖1 (c) 和 (d) 分別示出了相對密度和晶粒尺寸在保壓3min時隨SPS溫度的變化。采用200℃·min-1的升溫速率和100℃·min^-1的(de)(de)冷卻速率以及75MPa的(de)(de)壓力進行了(le)(le)SPS試驗(yan)。如圖(tu)1 (a) 和 (c) 所(suo)示, 在(zai)(zai)SPS溫(wen)度高于(yu)1 200℃的(de)(de)條件(jian)下, 獲得了(le)(le)幾乎(hu)全致密(mi)的(de)(de)AW00試樣(yang)(yang) (相(xiang)對密(mi)度>98%) , 而晶(jing)粒尺寸(cun)(cun)隨保壓時(shi)(shi)間和燒結(jie)溫(wen)度的(de)(de)增加(jia)(jia)而增大(da)。結(jie)果表明, 純Al2O3粉體的(de)(de)較佳(jia)制(zhi)備條件(jian)為(wei)1 300℃, 保壓時(shi)(shi)間1~3min, 試樣(yang)(yang)接近完全致密(mi), 粒度限制(zhi)在(zai)(zai)0.5~0.6μm。添(tian)加(jia)(jia)晶(jing)須時(shi)(shi), 從(cong)圖(tu)1 (a) 和 (c) 中(zhong)可以清楚地看出(chu), 在(zai)(zai)相(xiang)同的(de)(de)SPS條件(jian)下, 添(tian)加(jia)(jia)3%的(de)(de)晶(jing)須比(bi)純Al2O3致密(mi)度略有減弱, 但抑制(zhi)晶(jing)粒生(sheng)長的(de)(de)作用很(hen)大(da)。在(zai)(zai)10%晶(jing)須添(tian)加(jia)(jia)量較高的(de)(de)情況下, 圖(tu)1 (a) 和 (c) 發現了(le)(le)更顯(xian)著(zhu)的(de)(de)抑制(zhi)致密(mi)化現象(xiang), 晶(jing)粒尺寸(cun)(cun)受(shou)到有效的(de)(de)抑制(zhi), 在(zai)(zai)相(xiang)同的(de)(de)SPS環境下, 晶(jing)粒尺寸(cun)(cun)增長的(de)(de)數值比(bi)氧(yang)化鋁基質和加(jia)(jia)入(ru)3%晶(jing)須時(shi)(shi)低得多, 見(jian)圖(tu)1 (b) 和 (d) 。在(zai)(zai)1300℃時(shi)(shi), AW10晶(jing)粒尺寸(cun)(cun)的(de)(de)變化尤(you)為(wei)顯(xian)著(zhu), 無論保壓時(shi)(shi)間長短如何, AW10的(de)(de)晶(jing)粒尺寸(cun)(cun)都保持為(wei)0.3μm。此(ci)外, AW10在(zai)(zai)1 400℃時(shi)(shi)幾乎(hu)沒有觀(guan)察到晶(jing)粒的(de)(de)生(sheng)長。因(yin)此(ci),氧(yang)化鋁晶(jing)須的(de)(de)加(jia)(jia)入(ru)似乎(hu)促進了(le)(le)顯(xian)微組織的(de)(de)細化和穩(wen)定(ding)。

圖1 相對密度和晶粒尺寸在1300℃時隨保壓(ya)時間(jian)的變化, 以(yi)及(ji)在3min保壓(ya)時間(jian)時隨燒結溫度的變化

另一方面, SPS溫度(du)(du)越高, 純氧(yang)化鋁(lv)陶(tao)瓷 (AW00) 與氧(yang)化鋁(lv)晶須增強氧(yang)化鋁(lv)基陶(tao)瓷 (AW03和(he)(he)AW10) 的(de)(de)晶粒(li)尺寸差(cha)別越大。在相同的(de)(de)燒(shao)結(jie)條(tiao)件(jian)下, 在1 400℃保壓時(shi)間為3min的(de)(de)AW00燒(shao)結(jie)后(hou), 晶粒(li)尺寸為2.169μm, 然而AW03和(he)(he)AW10分(fen)別約為0.772μm和(he)(he)0.440μm。在燒(shao)結(jie)溫度(du)(du)1300℃、壓力75MPa、保壓時(shi)間3min的(de)(de)SPS環(huan)境下, AW03達到(dao)了0.446μm的(de)(de)晶粒(li)尺寸, 大約99%相對(dui)密度(du)(du)的(de)(de)精細顯(xian)(xian)微結(jie)構。在相同SPS條(tiao)件(jian)下, AW10的(de)(de)顯(xian)(xian)微組織細化到(dao)0.306μm, 相對(dui)密度(du)(du)約為95.5%。從圖1可以看出, 對(dui)于(yu)AW10陶(tao)瓷, 燒(shao)結(jie)溫度(du)(du)1 400℃保壓時(shi)間3min的(de)(de)SPS條(tiao)件(jian)是(shi)達到(dao)96.7%高致密化和(he)(he)保持(chi)0.440μm很細晶粒(li)的(de)(de)較(jiao)佳方案(an)。

3.2 顯(xian)微(wei)結構表征

圖(tu)(tu)2 (a) 、 (b) 和(he) (c) 示出了(le)1 300℃下燒(shao)結(jie)1min的(de)(de)AW00、AW03和(he)AW10拋光截(jie)面的(de)(de)掃(sao)描電鏡圖(tu)(tu)像, 其(qi)密(mi)(mi)度(du)分(fen)別為99.8%、97.2%和(he)93.8%。3種陶瓷均(jun)觀(guan)察到完全致(zhi)密(mi)(mi)的(de)(de)基體(ti), 而在AW03和(he)AW10試(shi)樣中晶(jing)須(xu)(xu)(xu)-基體(ti)界(jie)面觀(guan)察到一些(xie)殘(can)余(yu)孔隙(xi), 其(qi)中圖(tu)(tu)2 (b) 和(he) (c) 右上(shang)角插(cha)圖(tu)(tu), 箭頭指向晶(jing)須(xu)(xu)(xu)的(de)(de)橫(heng)截(jie)面。氧(yang)化鋁晶(jing)須(xu)(xu)(xu)含(han)量越(yue)高(gao), 孔隙(xi)率越(yue)高(gao), 晶(jing)須(xu)(xu)(xu)-基體(ti)界(jie)面越(yue)弱。因此(ci), 由(you)于氧(yang)化鋁晶(jing)須(xu)(xu)(xu)在SPS過(guo)程中會出現缺陷, 一部分(fen)阻礙了(le)氧(yang)化鋁顆粒(li)的(de)(de)重排, 從而降低了(le)Al2O3的(de)(de)燒(shao)結(jie)性能, 在附近觀(guan)察到一些(xie)孔隙(xi)。此(ci)外, 圖(tu)(tu)2 (a) 、 (b) 和(he) (c) 表明, 較高(gao)的(de)(de)晶(jing)須(xu)(xu)(xu)含(han)量對保(bao)持細晶(jing)組織更(geng)加有效。

圖3 (a) 和 (b) 分別示出了1300℃燒結1min的AW03試樣和1400℃燒結3min的AW10試樣的斷口形貌。在氧化鋁晶須附近存在孔隙, 如圖2 (b) 和 (c) 插圖所示。它導致晶須-基體界面的弱化, 并在Al₂O₃晶(jing)須的(de)(de)(de)裂(lie)(lie)紋(wen)尖端起到晶(jing)須橋聯(lian)的(de)(de)(de)有效(xiao)增韌作(zuo)用。事實上, 圖(tu)3 (a) 示(shi)(shi)出(chu)(chu)了(le)由(you)于Al2O3晶(jing)須在氧化鋁(lv)基體中的(de)(de)(de)良好分(fen)散而(er)從斷口(kou)表(biao)面出(chu)(chu)現了(le)一些Al2O3晶(jing)須, 這(zhe)種(zhong)均勻(yun)的(de)(de)(de)分(fen)散有助(zhu)于連接裂(lie)(lie)紋(wen)和后期的(de)(de)(de)晶(jing)須拉(la)出(chu)(chu)。相(xiang)反, AW10試樣(yang)中晶(jing)須的(de)(de)(de)積累降(jiang)低了(le)晶(jing)須激活這(zhe)些增韌機制(zhi)的(de)(de)(de)有效(xiao)作(zuo)用, 如圖(tu)3 (b) 所示(shi)(shi)。

圖(tu)2 拋光表面的(de)SEM照片

SPS在1300℃燒結, 保壓時間3min, 升溫速率200℃·min^-1, 冷卻速率100℃·min^-1, 壓力75MPa (插圖表明晶須及其附近存(cun)在(zai)孔隙截(jie)面)

3.3 粉體的(de)壓(ya)實(shi)行為(wei)

通過SPS壓(ya)(ya)(ya)力(li)在(zai)27~100MPa范圍內與(yu)(yu)試(shi)(shi)樣厚(hou)(hou)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)關系(xi), 研究了放電等離(li)子燒結過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)粉體或粉體收縮的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)實行為(wei), 并給(gei)出了在(zai)1300℃恒(heng)定SPS溫(wen)度(du)(du)(du)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)卸(xie)荷(he)過程(cheng)。如圖4所示(shi), 試(shi)(shi)樣厚(hou)(hou)度(du)(du)(du)是(shi)根(gen)據SPS期間測量的(de)(de)(de)試(shi)(shi)樣厚(hou)(hou)度(du)(du)(du)值減去空白試(shi)(shi)驗中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)熱膨脹(zhang)和彈性變(bian)形(xing)數據計(ji)算的(de)(de)(de)。其中(zhong)(zhong)(zhong)每個(ge)試(shi)(shi)樣的(de)(de)(de)較(jiao)(jiao)終(zhong)厚(hou)(hou)度(du)(du)(du), AW00為(wei)2.99mm, AW03為(wei)3.09mm, AW10為(wei)3.19mm。開(kai)始時AW00、AW03和AW10的(de)(de)(de)試(shi)(shi)樣厚(hou)(hou)度(du)(du)(du)在(zai)SPS的(de)(de)(de)較(jiao)(jiao)小接觸壓(ya)(ya)(ya)力(li)27MPa下(xia)(xia)很(hen)相似(si)。在(zai)壓(ya)(ya)(ya)力(li)升高到(dao)(dao)100MPa時出現(xian)了不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)致(zhi)(zhi)密(mi)性能, 致(zhi)(zhi)密(mi)度(du)(du)(du)AW00>AW03≈AW10, 這證實了氧化(hua)(hua)(hua)(hua)鋁晶須(xu)的(de)(de)(de)加入(ru)阻(zu)礙了氧化(hua)(hua)(hua)(hua)鋁粉體的(de)(de)(de)致(zhi)(zhi)密(mi)化(hua)(hua)(hua)(hua)。在(zai)AW03和AW10中(zhong)(zhong)(zhong)觀察到(dao)(dao)的(de)(de)(de)較(jiao)(jiao)大(da)斜率高達(da)60MPa, 表(biao)明(ming)添加晶須(xu)有效地抑制了粉體在(zai)低(di)壓(ya)(ya)(ya)或中(zhong)(zhong)(zhong)等壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)致(zhi)(zhi)密(mi)化(hua)(hua)(hua)(hua)。而AW03和AW10的(de)(de)(de)燒結溫(wen)度(du)(du)(du)與(yu)(yu)80MPa以(yi)上的(de)(de)(de)AW00相似(si), 說明(ming)晶須(xu)在(zai)較(jiao)(jiao)大(da)壓(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia)不(bu)(bu)再影(ying)響(xiang)燒結。在(zai)卸(xie)荷(he)周期和從100MPa降至80MPa的(de)(de)(de)過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong), 仍(reng)可觀察到(dao)(dao)壓(ya)(ya)(ya)實, 而在(zai)80MPa以(yi)下(xia)(xia), 未觀察到(dao)(dao)進一步的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)實或致(zhi)(zhi)密(mi)化(hua)(hua)(hua)(hua), 60MPa以(yi)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)位移與(yu)(yu)彈性響(xiang)應(ying)有關。需要指(zhi)出的(de)(de)(de)是(shi), SPS過程(cheng)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)壓(ya)(ya)(ya)實行為(wei)及其致(zhi)(zhi)密(mi)化(hua)(hua)(hua)(hua)行為(wei)可以(yi)用氧化(hua)(hua)(hua)(hua)鋁晶須(xu)強化(hua)(hua)(hua)(hua)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)鋁基陶瓷的(de)(de)(de)較(jiao)(jiao)大(da)擴(kuo)散(san)距(ju)離(li)而非純擴(kuo)散(san)距(ju)離(li)來(lai)解釋。

圖3 斷口SEM顯(xian)微(wei)照片

AW03:1 300℃燒結(jie), 保壓(ya)時間1min;AW10:1400℃燒結(jie), 保壓(ya)時間3min。升溫速率(lv)200℃·min-1, 冷卻速率(lv)100℃·min-1, 壓(ya)力75MPa

研究了CNT強化氧化鋁基復合材料的低致密化和抑制晶粒生長或減少的行為。抑制晶粒生長的根源在于CNT在Al2O3晶粒上形成二維板狀結構, 阻礙或部分地阻止晶界擴散。然而, 在_氧化鋁晶(jing)(jing)須的(de)(de)加入情況下, 將會有不同的(de)(de)現(xian)象(xiang)發生, 因為(wei)(wei)氧化鋁(lv)晶(jing)(jing)須是剛(gang)性的(de)(de), 不像CNT那樣柔韌, 因此不能(neng)形成這(zhe)種獨特(te)的(de)(de)板狀結構。由于復合材料中的(de)(de)所(suo)有界面(mian)都(dou)是純Al2O3-Al2O3界面(mian), 所(suo)以不能(neng)用(yong)部分(fen)晶(jing)(jing)界擴散抑制或阻塞來解釋觀察到的(de)(de)燒結行為(wei)(wei)。

圖4 AW00、AW03和AW10粉體在1300℃下的(de)致密行為

壓實(shi)行(xing)為的(de)(de)差(cha)異表(biao)明(ming)(ming), 晶(jing)(jing)須(xu)的(de)(de)加入會影(ying)響顆(ke)粒的(de)(de)重排, 這(zhe)是合理的(de)(de), 因為晶(jing)(jing)須(xu)的(de)(de)體積比基(ji)(ji)體的(de)(de)氧化(hua)鋁(lv)(lv)顆(ke)粒大。此(ci)(ci)外, 氧化(hua)鋁(lv)(lv)晶(jing)(jing)須(xu)在(zai)(zai)氧化(hua)鋁(lv)(lv)基(ji)(ji)體周圍起到了內(nei)(nei)部邊(bian)界作用, 可以降低粉體顆(ke)粒的(de)(de)內(nei)(nei)應力(li)(li)。實(shi)際上, 當晶(jing)(jing)須(xu)包圍時, 粉體基(ji)(ji)體的(de)(de)致(zhi)密化(hua)被(bei)抑制, SPS后這(zhe)些區(qu)域保(bao)持多孔, 如圖2 (c) 所示(shi)。結果表(biao)明(ming)(ming), Al2O3基(ji)(ji)體的(de)(de)內(nei)(nei)應力(li)(li)降低使晶(jing)(jing)粒生長(chang)減弱。因此(ci)(ci), 在(zai)(zai)75MPa壓力(li)(li)下(xia), 在(zai)(zai)所有SPS條件下(xia), AW10的(de)(de)相(xiang)對密度都保(bao)持在(zai)(zai)97%以下(xia), 晶(jing)(jing)粒較細 (≤0.440μm) 。

3.4 力學性能

為(wei)了消(xiao)除(chu)孔隙率和晶粒尺(chi)寸(cun)對(dui)(dui)硬度(du)(du)(du)(du)和斷(duan)裂韌(ren)(ren)(ren)性(xing)(xing)的(de)影響, 選用了相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)密度(du)(du)(du)(du)在(zai)97%左右、晶粒尺(chi)寸(cun)相(xiang)(xiang)近(jin)的(de)0.350~0.440μm的(de)AW00、AW03和AW10三種陶(tao)瓷材料進行(xing)力學性(xing)(xing)能研究。維氏壓痕試驗結(jie)(jie)果見表2。AW00在(zai)1 200℃下燒結(jie)(jie)3min, 相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)密度(du)(du)(du)(du)為(wei)97.9%, 硬度(du)(du)(du)(du)較高為(wei)26.7GPa。AW03在(zai)1 300℃下燒結(jie)(jie)1min, 相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)密度(du)(du)(du)(du)為(wei)97.2%, 其硬度(du)(du)(du)(du)值為(wei)25.9GPa, 與AW00相(xiang)(xiang)似。加入(ru)3%氧(yang)(yang)化鋁晶須可使韌(ren)(ren)(ren)性(xing)(xing)提高約30%, 然而加入(ru)10%Al2O3晶須后, 韌(ren)(ren)(ren)性(xing)(xing)降低, 這是晶須蓄積的(de)幾率較高和增韌(ren)(ren)(ren)機(ji)理較差的(de)結(jie)(jie)果, 見圖3 (b) 。因此, 3%氧(yang)(yang)化鋁晶須不僅保持了硬度(du)(du)(du)(du), 同(tong)時(shi)韌(ren)(ren)(ren)性(xing)(xing)提高了30%。

表(biao)2 SPS法(fa)制備的AW00、AW03和AW10陶瓷(ci)的常溫力學性能和顯(xian)微結構特征

AW03的(de)(de)增(zeng)(zeng)強斷(duan)裂韌(ren)性KIC證實了晶須(xu)的(de)(de)良好分散和增(zeng)(zeng)韌(ren)機理, 尤其是斷(duan)口表(biao)面觀察(cha)到(dao)的(de)(de)通過晶須(xu)被拉(la)出后(hou)的(de)(de)裂紋橋(qiao)聯機理, 見圖3 (a) 。此外, AW03的(de)(de)硬度和韌(ren)性大于(yu)(yu)AW10。這表(biao)明, 晶須(xu)的(de)(de)添加量很過3%會增(zeng)(zeng)加高(gao)密度晶須(xu)網絡的(de)(de)數量和擴展范圍, 增(zeng)(zeng)加局部孔隙(xi)率, 不利于(yu)(yu)力(li)學性能的(de)(de)提高(gao), 見圖3 (b) 。

總之, 3%低含量晶須增強氧化鋁復合材料具有較好的高密度和細晶組織相結合的特點, 并保持了高硬度, 韌性提高了30%。AW03 (Hv25.9GPa, KIC5.75MPa·m1/2) 的力學性能與其它氧化鋁復合材料相當或大多高于其它氧化鋁復合材料, 例如Ta C (20%體積) -Al2O3 (Hv17.4GPa, KIC6.5MPa·m1/2) 、BN (20%體積) -Al2O3 (Hv26GPa, KIC4.1MPa·m1/2) 、SiC顆粒 (5%體積) -Al2O3 (Hv19GPa, KIC>4MPa·m1/2) 、SiC晶須 (20%體積) -Al2O3 (Hv>26GPa, KIC>6MPa·m1/2) 。Al2O3晶須是加入到氧化鋁基體中的一種防止高溫氧化的第二相。因此, Al₂O₃晶須增強是獲得高溫氧化氣氛下力學性能改善的氧化鋁陶瓷/復合材料的一種很有前景的方法。然而, 未來的研究目標是改善Al₂O₃晶須在氧(yang)化(hua)(hua)鋁基體中的分(fen)散和殘余(yu)孔隙的消除, 目(mu)的是優化(hua)(hua)抗氧(yang)化(hua)(hua)陶瓷(ci)復合材(cai)料(liao)的高溫力學性能(neng), 使(shi)其具有實際應用(yong)價值。

4 結論

以SPS法(fa)制備的(de)(de)(de)氧化(hua)鋁晶(jing)須(xu)強化(hua)氧化(hua)鋁陶(tao)(tao)瓷為研(yan)究(jiu)對(dui)象, 重(zhong)點研(yan)究(jiu)了晶(jing)須(xu)添加(jia)(jia)量(liang)對(dui)燒(shao)結(jie)行為和室溫(wen)力(li)學性能的(de)(de)(de)影響。結(jie)果表明, 由于(yu)晶(jing)須(xu)阻礙顆粒重(zhong)排, 降低(di)粉(fen)體基(ji)體的(de)(de)(de)內應力(li), 這些氧化(hua)鋁復合(he)(he)材料的(de)(de)(de)燒(shao)結(jie)性能受到抑制, 特(te)別是(shi)在晶(jing)須(xu)含(han)量(liang)較高的(de)(de)(de)情況下。而添加(jia)(jia)3%Al2O3晶(jing)須(xu)的(de)(de)(de)復合(he)(he)材料可(ke)獲(huo)得(de)相對(dui)密(mi)度為99%、晶(jing)粒尺寸(cun)為0.450μm的(de)(de)(de)細晶(jing)氧化(hua)鋁陶(tao)(tao)瓷。對(dui)于(yu)添加(jia)(jia)10%晶(jing)須(xu)的(de)(de)(de)氧化(hua)鋁復合(he)(he)材料, 通過選擇合(he)(he)適的(de)(de)(de)SPS溫(wen)度 (分別為1 300℃和1400℃) 和保(bao)壓時間 (3min) , 可(ke)獲(huo)得(de)≥96%的(de)(de)(de)相對(dui)密(mi)度和約0.440μm的(de)(de)(de)晶(jing)粒尺寸(cun)。

通過將復合材料的維氏硬度Hv與純氧化鋁相比較 (純Al2O3為26.7GPa, 晶須添加3%時為25.9GPa, 10%時為23.4GPa) , 韌性KIC與純Al₂O₃相比較 (純Al2O3為4.25MPa·m^1/2, 晶須添加3%時為5.75MPa·m^1/2, 10%時為4.72MPa·m^1/2) 可知, 韌性(xing)的(de)提高是由于(yu)晶(jing)須(xu)(xu)引起的(de)裂紋橋聯。結果表明, 加(jia)入少量(liang)的(de)氧(yang)化(hua)鋁晶(jing)須(xu)(xu)有助(zhu)于(yu)提高氧(yang)化(hua)鋁復合材料(liao)的(de)力學性(xing)能。