Ｔｉ3ＳｉＣ2／４ＳｉＣ复相陶瓷的高温力学性能研究

摘要 为了进一步了解Ti₃SiC₂/nSiC复合材料优良的综合性能，特别是其高温力学性能，本文以热等静压原位合成技术制备的Ti₃SiC₂/4SiC复相陶瓷为试验材料，对其高温拉伸和高温弯曲行为进行研究。结果表明：Ti₃SiC₂/4SiC复相陶瓷的高温抗拉强度比室温抗拉强度高；Ti₃SiC₂/4SiC复相陶瓷的高温抗弯强度在900℃出现一极大值，1000℃后具有好的高温塑性。

关键词 复相陶瓷，Ti₃SiC₂/SiC，力学性能，热等静压

1引 言

碳化硅陶瓷材料的高温强度高、抗蠕变、硬度高、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、高导热、高电导和高热稳定性等优异性能，使其成为1400℃以上最具价值的高温结构陶瓷，具有广泛的应用领域[1]。但是SiC的强共价键使得烧结的扩散速率相当低, Hong等人[2]的研究表明，即使在2100℃的高温下，C和SiC中的自扩散系数仅为1.5×10^-10和2.5×10^-13cm²/s，所以纯的SiC是很难烧结致密的，而且纯的SiC韧性很低，仅为3～4MPa·m1/2，其应用受到一定限制，因此，SiC复合材料得到了迅速发展[3]。近年来具有层状结构的三元化合物Ti₃SiC₂由于同时具有金属和陶瓷的许多优良性能而受到广泛的关注[4]，将Ti₃SiC₂加入SiC材料中原位制备复相陶瓷成为了研究的热点。

人们对Ti₃SiC₂/nSiC复相陶瓷材料的高抗氧化性、高耐磨性、高韧性等优良的高温性能进行了一些研究，但还不够充分。为了充分了解Ti₃SiC₂/nSiC复合材料优良的综合性能，特别是其高温性能，本文以热等静压（HIP）原位合成技术制备的Ti₃SiC₂/4SiC复合材料[5]为实验材料，进一步研究其高温力学性能；同时本文将其高温拉伸性能进行研究，为这类高温结构材料的应用提供理论和实验依据，为SiC材料的应用提供新的思路。

2实验材料

本文以采用热等静压（HIP）原位合成技术和过渡塑性相工艺制备的Ti₃SiC₂/4SiC复合材料为实验材料。实验采用WDW3100微控电子万能试验机进行测试。

3结果与讨论

3.1 高温拉伸实验

高温拉伸实验采用WDW3100微控电子万能试验机进行。其中，常温阶段预加力20N，高温阶段保温时间5min，预加力50N，都以恒定的0.05mm/min的加载速率进行拉伸。实验条件与结果列于表1中。

本次高温拉伸实验只是探索性实验，但从表中可以看出在高温阶段的强度不仅没有下降，而且明显比室温的强度高。出现高温抗拉强度比室温抗拉强度高的原因分析如下：

首先，由于线切割加工的表面比较粗糙，高温时表面被氧化，表面薄的氧化层使得表面裂纹和缺口愈合，从而减小了表层的应力集中，提高了陶瓷材料的高温强度。其次，陶瓷材料主要由离子键和共价键组成，不易发生塑性变形，且其熔点高。高温时，由于热激活的作用使得材料可以产生极少量的变形，松弛了应力集中，使其具有优良的高温性能。

金属材料的强度随温度的升高而降低。因为金属由金属原子组成，在高温阶段，材料主要发生蠕变变形，温度越高，原子的热激活能越高，越容易发生原子的扩散和晶界的滑移。陶瓷材料主要由离子键和共价键组成，不易发生塑性变形，使得陶瓷材料具有优良的高温力学性能。由于高温阶段强度没有下降或者只有少量的降低，因此陶瓷材料适合于做高温结构材料。

试样2和试样3的高温拉伸应力-应变曲线图绘制于图1，其中曲线2是试样2的高温拉伸的应力-应变曲线，曲线3是试样3的高温拉伸的应力-应变曲线。

从图1中可以看出应力-应变曲线主要是弹性部分，但总的变形量超过1%。从图中可以明显地看到试样2的曲线出现了转折点，说明在1000℃高温时就有少量的不可逆变形。在转折点以后不可逆变形的贡献增大。试样3断裂前的总变形量与试样2几乎一致，达到1%这样的大变形量，说明一样发生了塑性变形。

Barsoum等人[8]经过研究后发现,Ti₃SiC₂大约在1100℃发生韧脆转变，1300℃时在空气中的弯曲和压缩有超过20%的变形量，在1000℃时也显示出相当多的塑性。因此，Ti₃SiC₂/4SiC和纯的Ti₃SiC₂相比，相同温度下的强度提高，SiC在Ti₃SiC₂/4SiC复相陶瓷中起到了强化的作用。Xiaohua Tong等人[9]发现利用热压烧结技术，1600℃热压烧结获得的含量为20%SiC的高密度Ti₃SiC₂/SiC复合材料在1200℃具有大的塑性变形，复相陶瓷高的塑性主要归因于Ti₃SiC₂相。由于本次实验是在1000℃拉伸，温度相对较低，因此，不能产生大量的变形。

对于一般的陶瓷材料，即使在高温阶段也只是发生弹性变形，比如SiC材料即使在1600℃也只是发生脆性断裂[1]，具有软金属特性的Ti₃SiC₂相引入Ti₃SiC₂/4SiC复相陶瓷中，使得Ti₃SiC₂/4SiC复合材料特别适用于做高温抗拉的结构材料。因此，高温拉伸实验为这类高温结构材料的应用提供了一些理论和实验依据，为SiC材料的应用提供了新的思路。

3.2 高温弯曲实验

高温弯曲实验在不同的温度下进行，加载速率为0.05mm/min。由于陶瓷弯曲强度的测试值离散性较大，因此要求试样有一定的数量，常温试样一般每组为10～20根，高温试样每组为5～10根[10]。由于本次实验材料的限制，本实验中每个温度段的试样数目为3～5个试样。试样的受拉面用粒度为1μm的B4C研磨剂在Precision Lapping/Polishing Machine(UNIPOL-802)上磨平。

不同温度下测得的实验数据列于表2中。

图2给出了高温阶段材料的平均抗弯强度随温度的变化。从图2中可以看出，随着温度的升高，在900℃左右出现一个极大值；在900℃以下，随着温度的升高，强度增加，900℃以后，强度随温度的提高明显下降。本文同时测量了常温的抗弯强度，发现在1100℃以下的强度都比常温的弯曲强度高，温度高于1200℃后强度低于室温强度。其原因是：虽然Ti₃SiC₂[11]的熔点高达3000℃以上，但在900℃以后，由于热激活作用，Ti₃SiC₂/4SiC复相陶瓷中特殊的层状结构的三元相Ti₃SiC₂沿基面产生二维平面滑动，发生塑性变形，从而使强度急剧下降。从图3中可以清楚地看出随着温度的升高，在900℃以后发生大的弯曲变形，特别是1200℃时的挠度是常温下的3倍左右；同时，Ti₃SiC₂在1000℃以后的强烈氧化使得氧化膜增厚，降低了有效承载面积，使强度降低。Ti₃SiC₂/4SiC复相陶瓷材料高温发生变形时，SiC独特的正四面体结构不易产生变形并且可以阻止Ti₃SiC₂的变形，从而提高了复合材料的强度；Ti₃SiC₂特殊的层状结构可以沿基面产生二维平面滑动，从而提高了复合材料的塑性。同时，高温时表面很薄的一层氧化物能阻止裂纹的扩展，而且能降低应力集中，提高了材料的强度，使得材料在900℃以前的实际强度并不随温度的升高而降低。

Xiaohua Tong等人[12]利用热压烧结技术，于1600℃热压烧结获得SiC含量为20%的高密度Ti₃SiC₂/SiC复合材料。从室温到1200℃连续测量，研究发现Ti₃SiC₂/SiC比纯的Ti₃SiC₂有更高的弯曲强度，在室温下的弯曲强度为560MPa，弯曲强度要在1000℃才变化，并且在1200℃时为室温的一半。从图2中也可以看出，1200℃时的抗弯强度也仅为室温的一半，从而也说明Ti₃SiC₂/4SiC复相陶瓷在900℃～1000℃左右及以下可以用作良好的高温结构材料。

各个温度段的试验力与位移曲线如图3所示，从图中可以看出试样在1000℃以前是弹性变形，1000℃以后发生塑性变形。1200℃时的曲线是典型的塑性材料的弯曲曲线：弹性部分（开始的直线部分）、塑性变形部分（缓慢上升的部分）、断裂部分 （上升到最大值以后的下降部分），从1200℃的曲线中可以看出在断裂前试验力达到最大后有一个缓慢降低的过程，这说明试样在断裂前发生了撕裂的过程，从而说明试样在1200℃时有极好的高温塑性。图4给出了在1200℃弯曲断裂后的试样，从图中可看出断裂后试样仍然连在一起，从而也说明试样在断裂前是一个撕裂的过程。

4结 论

本文成功完成了高温拉伸强度的探索性试验，虽然由于材料的限制使得实验数据有限，但可以说明这个尺寸是能够做成功拉伸实验的，在Ti₃SiC₂/4SiC复合材料高温拉伸实验方面开了一个先例，为这方面的测试提供了一个成功的例子。从高温力学性能的测定可以得出以下结论：

（1） Ti₃SiC₂/4SiC复相陶瓷在1000℃的高温抗拉强度为255.53MPa，比室温抗拉强度高；

（2） Ti₃SiC₂/4SiC复相陶瓷的高温抗弯强度在900℃以下时，随着温度的升高而增加，但在900℃以后随温度的升高抗弯强度值急剧下降，在1200℃时的抗弯强度值仅为室温的一半；

（3） 1200℃时Ti₃SiC₂/4SiC复相陶瓷发生了大量的弯曲变形，高温弯曲曲线是典型的塑性材料的弯曲曲线，显示出良好的高温塑性；

（4） Ti₃SiC₂/4SiC复相陶瓷材料发生高温变形时，SiC独特的正四面体结构不易产生变形并且可以阻止Ti₃SiC₂的变形，从而提高了复合材料的强度；Ti₃SiC₂特殊的层状结构可以沿基面产生二维平面滑动，从而提高了复合材料的塑性。

参考文献

1 金志浩，高积强，乔冠军. 工程陶瓷材料[M]. 西安交通大学出版社，2000：162～166

2 Hong J D, Hon M H, Davis R F. Ceramuragia Inter.1979，5：155

3 潘 牧,南策文.碳化硅(SiC)基材料的高温氧化和腐蚀[J].腐蚀科学与防护技术, 2000,12(2)

4 Barsoum M.W.，The MN+1AXN Phases: A New Class of Solids; Thermodynamically stable nanolaminates[J]. Prog.Solid St.Chem.,2000,(28): 201～281

5 王志钢. Ti₃SiC₂/SiC复合材料的制备及其性能研究. 西南交通大学硕士学位论文

6 郭瑞松，蔡舒，季惠明. 工程结构陶瓷[M]. 天津大学出版社，2002：89～90

7 陶瓷协会讲座委员会.陶瓷的机械性质.陶瓷业协会，1979：63

8 中村浩介.工业材料[M]. 1993,31：113

9 R.Radhakrishna,J.J.Williams, M. Akinc. Sythesis and High-temperature Stability ofTi₃SiC₂[J].Journal of Alloys and Compounds. 1999,285：85～88

10 金志浩，高积强，乔冠军.工程陶瓷材料[M].西安交通大学出版社，2000：196～197

11 朱教群,梅炳初,陈艳林.柔性陶瓷三元层状碳化物Ti₃SiC₂的金属特性[J],2003

12 Tong X,Okano T,Iseki T,et al.Synthesis and High Temperature Mechanical Properties of Ti₃SiC₂/ SiC Composite[J].J Mat Sci.,1995,30：3087～3090

High Temperature Properties of Ti₃SiC₂/4SiC Multiphase Ceramics

Guo ShuangquanZhu Degui

（Key Laboratory of Advanced Technologies of MaterialsMinistry of Education

Southwest Jiaotong UniversityChengduSichuan 610031）

Abstract： In this paper, as the test materials which were fabricated by in situ synthesis under hot isostatic pressing (HIP), Ti₃SiC₂/4SiC multiphase ceramics were further researched. The high temperature tension and flexure of the composite were studied, and the results indicated that a higher tensile strength of the composite under high temperature, compared with that under room temperature. At 900℃ a maxmium value of high temperature flexural strength, whereas after 1000℃ the composite were displayed a good high temperature plastic.

Keywords： multiphase ceramics， Ti₃SiC₂/SiC， mechanical properties， hot isostatic pressing

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