莫来石/SiC颗粒/SiC晶须复合材料的自裂愈合行为

中尾渡，高桥浩二，安藤琴二

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发布:2005年9月

主题

摘要

关键词

介绍

实验

结果与讨论

结论

参考文献

联系方式

摘要

本文作者提出了一种提高结构陶瓷可靠性的新方法——自裂纹愈合。自我裂纹愈合是通过基质中的SiC混合氧化来愈合表面裂缝和缺陷。在该研究中，开发了莫来石/ SiC粒子/ SiC晶须多重复合材料以改善断裂韧性以及赋予优异的自裂性愈合能力。研究了复合材料的断裂韧性和裂纹愈合后的弯曲强度。SiC晶须的掺入对提高断裂韧性是有效的。然而，发现仅SiC晶须氧化焊接的裂纹愈合部分在高温下力学性能比基体弱。相反，通过氧化SiC晶须和颗粒焊接的裂缝愈合的部件在每个检查温度下以裂缝强度的基质优于基质。欧洲杯猜球平台此外，掺入SiC颗粒并没有降低断裂韧性。欧洲杯猜球平台

关键词

裂纹愈合，复合材料，协同陶瓷，结构陶瓷，高温氧化

介绍

氧化铝和莫来石等结构陶瓷具有优良的耐热、耐腐蚀、耐磨和抗氧化性能。但断裂韧性较低。因此，这种低可靠性限制了它们的应用。许多研究人员试图通过掺入晶须和纤维来提高结构陶瓷的断裂韧性。guo等人。[1]通过用碳纤维混合改善氮化硅的断裂韧性。

为了提高结构陶瓷的可靠性，本文作者[2-14]在利用SiC氧化制备具有裂纹愈合能力的结构陶瓷方面取得了进展。当陶瓷在空气中保持高温时，裂纹表面的SiC与O发生反应₂。然后，通过产品和反应的热量完全恢复该裂缝。此外，裂纹愈合部分的机械强度比原始的散装部分。如果在工程用途中使用裂缝愈合，则可以预料到可靠性的提高以及加工和抛光成本的降低，可以预期大益处。

在之前的[15]研究中，我们研究了添加15 vol% SiC晶须的莫来石的断裂韧性和裂纹愈合能力。复合材料的断裂韧性为3.8MPa·m^1／2。然而，由于裂纹愈合后的焊接部分没有覆盖整个裂纹表面，导致SiC没有很好地分散。结果，标本裂缝愈合的断裂强度并未完全回收到接收的样本的那些。

本研究旨在开发具有高裂缝韧性和优异的抗裂性能力的新莫来石复合材料。为此，制备了提高SiC晶须体积比的莫来石/SiC晶须/SiC颗粒复合材料和莫来石/SiC晶欧洲杯猜球平台须复合材料。这些试样的裂纹愈合能力是通过比较断裂强度在裂纹愈合和收到的复合材料。

实验

采用的莫来石粉(KM 101，日本Kioritzz Co. Ltd.， Japan)的平均粒径为0.2µm和Al₂O._3.内容的71.8%。所使用的SiC晶须直径为0.8µm ~ 1.0µm，长度为30µm ~ 100µm。使用的SiC粉(超细级，日本拜登公司)平均粒径为0.27µm。当莫来石原粉与15、20和25 vol% SiC晶须(分别简称MS15W、MS20W和MS25W)混合时，莫来石粉与SiC晶须的混合物在异丙醇中混合良好12小时使用氧化铝球和氧化铝罐厂。

在混合莫来钛矿/ 15体积％的SiC晶须/ 10Vol％SiC颗粒的原料粉末中，缩写为MS15W10P，将SiC粉末混合到莫来石粉末中，并将混合物在醇中混合12小时。欧洲杯猜球平台另外，将SiC晶须与莫来石- SiC晶须- SiC粉末混合，共混12h。以50 mm × ×50 mm × 9 mm的矩形板为材料，在40 MPa、1700条件下，在氩气中烧结1 h^O.C。将烧结板切割成3mm × 4mm × 22mm的矩形棒材试样。对试样进行一面抛光，并将试样的边缘进行45°的斜面处理，如图1所示，以降低边缘引发失效的可能性。

半椭圆形表面裂纹为100μ.用维氏压头在试样拉伸表面的中心处制作表面长度为m的试样，载荷为19.6 N。深度比(一种)至表面长度的一半(C）裂缝（纵横比一种/C)是0.9。在1300时对开裂和收到的试样进行裂纹愈合处理^O.在空气中保温2 h，其中裂纹愈合条件参照之前的研究[15]。

样品的裂缝试验裂缝 - 愈合的三点装载系统进行，跨度为16毫米，如图1所示，在室温和600至1300的温度下^O.C。单调试验的十字头速度为0.5 mm/min。此外，在没有预裂纹的情况下，为了愈合裂缝的裂缝愈合的样本也介绍了机械过程的上述弯曲试验。下面的试样称为短热处理试样。通过压痕骨折方法获得裂缝韧性，其中杨氏模量用于计算为220 GPa[16]。

结果与讨论

表1为MS15W、MS20W、MS25W、MS15W10P常温抗弯强度。所有样品的弯曲强度将通过裂化降低至少于接收的原样，并通过抗裂愈合回收比接受的样品更高。裂纹愈合后的MS20W、MS25W和MS15W10P的抗弯强度与热处理后的相同或更高，且均在除预裂纹外的位置断裂。裂纹愈合后的MS15W始终从预裂纹处断裂，其抗弯强度低于热处理后的MS15W。从室温强度恢复来看，确定了MS20W、MS25W和MS15W10P可以完全愈合预裂。因此，只有掺量在20 vol%以上的SiC晶须，才能使SiC晶须具有足够的裂纹愈合能力。从之前的[2]研究中发现，掺量为15 vol%的SiC颗粒后，断裂强度完全恢复。欧洲杯猜球平台由此证实，SiC晶须的裂纹愈合能力低于SiC颗粒的裂纹愈合能力。

表1。MS15W、MS20W、MS25W、MS15W10P常温抗弯强度

*从pre-crack骨折

图2显示了裂纹愈合和热处理(a) MS20W， (b) MS25W和(c) MS15W10P的弯曲强度随温度的变化。闭合三角形和开放三角形表示裂纹愈合后的弯曲强度试件从非预裂纹处断裂，从预裂纹处断裂。封闭的圆表示热处理后试样的抗弯强度。所有裂纹愈合和热处理后的试件在1200℃以下的温度升高，其抗弯强度略有下降，而在1300℃时，抗弯强度下降很大。在各温度下，裂纹愈合后试件的抗弯强度几乎与热处理后试件的抗弯强度相等。然而，裂缝愈合的MS20W和MS25W分别从800℃和1000℃的预裂缝断裂。这些结果表明裂缝愈合的部分变得比基质较弱，以便预裂纹未被裂纹愈合反应的产品完全焊接。而MS15W10P在室温至1300℃的预裂温度下未发生断裂^O.C。因此，可以确认MS15W10P通过裂纹愈合的焊接部分可以覆盖整个裂纹表面。

表2显示了标本的断裂韧性。与单片莫来石的价值相比，MS15W10P的断裂韧性增加1.5倍（K._集成电路= 2.5 MPam^1／2）尽管本研究中烧结的标本的最低值。断裂韧性随碳化硅晶须含量的增加而增加。因此，掺入SiC颗粒对断裂韧性的提高没有影响，而掺入SiC晶须对断裂韧性的提高影响较大。欧洲杯猜球平台

表2。标本的断裂韧性

结论

为了改善断裂韧性以及赋予优异的自裂愈合能力，烧结莫来石/ SiC晶须/ SiC颗粒多重复合材料。欧洲杯猜球平台研究了裂缝愈合处理后的断裂韧性和弯曲强度。

添加20vol %以上的SiC晶须对仅SiC晶须的室温强度恢复具有足够的裂纹愈合能力是必要的。MS20W和MS25W的裂缝愈合部分较800以上的基体变弱^O.C和1000^O.C分别。而MS15W10P在各实验温度下的断裂强度均优于基体。

SiC晶须的掺入有利于提高断裂韧性，而SiC颗粒的掺入并没有降低断裂韧性。欧洲杯猜球平台因此，SiC晶须- SiC颗粒复合是提高断裂韧性和赋予良好的欧洲杯猜球平台自裂纹愈合能力的一种有价值的方法。

参考文献

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