简介概要

SiC纳米及晶须增强Si3N4基复相陶瓷断裂行为的研究

来源期刊：稀有金属2000年第5期

论文作者：沈惠珠董利民张宝清孙丽虹王瑞坤张希顺朱其芳

关键词：Si3N4 基复合陶瓷; 晶须; 纳米颗粒; 裂纹扩展;

摘要：用扫描电镜、透射电镜及努氏压痕法研究了添加 SiC 晶须、纳米颗粒及晶须和纳米颗粒的三种 Si3N4 基复相陶瓷在外力作用下的断裂行为.这三种材料断裂的主要方式是沿晶断裂,偶尔可见穿晶断裂.在裂纹发展的路径上当裂纹尖端遇到了晶须、集聚的纳米颗粒及类晶须时,会产生扭转、偏转、断裂、拔出和终止,从而使裂纹能量消耗,抑制和阻碍了裂纹的扩展和传播,起到了增韧补强的作用.

稀有金属 2000,(05),330-334 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2000.05.003

SiC纳米及晶须增强Si₃N₄基复相陶瓷断裂行为的研究

朱其芳王瑞坤董利民张宝清沈惠珠张希顺

北京有色金属研究总院!100088,北京有色金属研究总院!100088,北京有色金属研究总院!100088,清华大学!北京100084,清华大学!北京100084,北京有色金属研究总院!100088,北京有色金属研究总院!100088

摘要：

用扫描电镜、透射电镜及努氏压痕法研究了添加SiC晶须、纳米颗粒及晶须和纳米颗粒的三种Si3N4基复相陶瓷在外力作用下的断裂行为。这三种材料断裂的主要方式是沿晶断裂 , 偶尔可见穿晶断裂。在裂纹发展的路径上当裂纹尖端遇到了晶须、集聚的纳米颗粒及类晶须时 , 会产生扭转、偏转、断裂、拔出和终止 , 从而使裂纹能量消耗 , 抑制和阻碍了裂纹的扩展和传播 , 起到了增韧补强的作用。

关键词：

SiN基复合陶瓷;晶须;纳米颗粒;裂纹扩展;

中图分类号： TQ174

收稿日期：1999-08-20

基金：国家自然科学基金!资助项目 ( 59772 0 1 0 );

Study on Fracture Behavior of Si₃N₄ Base Composite Ceramics Adding SiC Nano-powders and SiC whiskers

Abstract：

Fracture behavior of SiC (W) /Si 3N 4, SiC (n) /Si 3N 4, SiC (n, w) /Si 3N 4 composite ceramics under loading was studied using SEM, TEM and Knoop indentation method.The result indicates that the fracture character of three composites is mainly intergranular fracture, once in a while shows transgranular fracture on crack path, when the crack encountered whiskers, nano grains and quasiwhiskers, turning, deflection, twist, pulling out and stop of the crack occurred, resulting in depletion of crack propagating energy, so that the development and propagation of the crack were restrained and hindered and hence the strength and the fracture toughness of the nano composites were increased.

Keyword：

Si 3N 4 base composite ceramics; whisker; nona grain; propagating of crack;

Received： 1999-08-20

结构陶瓷材料实用化的重要问题是陶瓷的脆性, 解决脆性的主要途径有晶须 (纤维) 补强增韧和颗粒弥散补强增韧等 ^[1] 。20世纪90年代以来, 国内外开展了高性能纳米复相陶瓷材料的研究。如日本大阪大学新原皓一等采用热压工艺、无压焙结和热等静压工艺成功地制备出多种体系的纳米/微米复合陶瓷 ^[2,3,4] 。相继发表的国内外研究成果表明, 在陶瓷基中引入纳米分散相进行复合, 能够使陶瓷材料的力学性能大大改善, 不仅强度、韧性提高, 还明显改善了材料的耐高温性能, 同时也提高了材料的硬度、弹性模量和抗热震性、抗高温蠕变性能 ^[5,6,7,8] 。本课题利用扫描电镜、透射电镜及努氏压痕法研究了复合陶瓷材料的裂纹扩展和晶须及纳米颗粒协同补强增韧的机制。

1 实验方法和材料性能

1.1 材料制备

用等离子气相合成法制备了 SiC (50～70 nm) 粉, 硅粉氮化法制备了微米 Si₃N₄ (平均粒度为 1.85 μm) 粉。使用中频感应炉, 热压制备 Si₃N₄ 基复相陶瓷。样品经混料、球磨 (24 h 用酒精分散) 、干燥过筛、热压、制成纳米烧结体。烧结助剂是 3% Al₂O₃ 加 6% Y₂O₃ 以提供烧结时的液相。烧结温度为 1500～1750℃, 保温 90 min, 轴向压力 20 MPa, 烧结气氛为高纯氮气。制备出3种复相陶瓷材料 (见表1) 。

表1 3种复相陶瓷材料成分

样品名称	添加材料含量ω/%
样品名称	SiC 晶须	SiC 纳米粉
Si₃N₄ (μ) /SiC (w)	5	/
Si₃N₄ (μ) /SiC (n)	/	10
Si₃N₄ (μ) /SiC (n、w)	5	5

1.2 样品制备

样品研磨抛光后用熔融的氢氧化钠腐蚀, 然后放在喷镀仪中喷金, 做为扫描电镜观察样品。由块材切取 0.5 mm 厚的片, 研磨至约 40 μm, 然后在 5 kV 电压下离子减薄, 制成分析电镜观察样品。

抗弯强度采用三点弯曲法测定, 试样尺寸为 3mm×4mm×36mm, 跨距为 30mm。断裂韧性 K_lc 值采用单边切口梁法, 样品尺寸为 2mm×4mm×25mm, 切口深 2 mm, 切口宽度 0.2 mm, 跨距为 20 mm。抗弯强度和断裂韧性在岛津万能电子材料实验机上进行测试。加载速度分别为 0.5 mm/min 和 0.05 mm/min。Si₃N₄ (μ) /SiC (w) 、Si₃N₄ (μ) /SiC (n) 和 Si₃N₄ (μ) /SiC (n、w) 复相陶瓷材料力学性能见表2。

表2 Si3N4 (μ) /SiC (w) 、Si3N4 (μ) /SiC (n) 和 Si3N4 (μ) /SiC (n、w) 复相陶瓷材料力学性能

	Si₃N₄	Si₃N₄ (μ) /SiC (w)	Si₃N₄ (μ) /SiC (n)	Si₃N₄ (μ) /SiC (n、w)
抗弯强度/MPa	720	659.6	862	898
断裂韧性/MPa·m^1/2	7.2	5.7	8.1	10.3

1.3 裂纹产生方法

将硬度仪放在万能电子材料试验机上, 将硬度仪的努氏压头压在复合陶瓷材料上, 在材料试验机上连续加载, 使复合陶瓷材料表面形成明显的裂纹, 在扫描电镜中观察裂纹的发展路径。然后在裂纹的末端做一个标记, 继续把硬度仪努氏压头压在原有的压痕上加载, 在 JSM-840 SEM 中观察裂纹的扩展路径。

用镊子在透射电镜样品上点压生成一个断裂裂纹。用配备 Voyager X-射线能谱仪的 JEM-2000 FX 分析电镜研究裂纹扩展特征。

2 结果与讨论

2.1 断口分析

分析 Si₃N₄ (μ) /SiC (w) 、Si₃N₄ (μ) /SiC (n) 和 Si₃N₄ (μ) /SiC (n、w) 三种样品的断口, 可以观察到样品的断裂以沿晶断裂为主, 也可以观察到少量的穿晶断裂。图1 (a) 是沿晶断裂扫描电镜图像。图1 (b) 是穿晶断裂扫描电镜图像。

图1 断口二次电子图像

(a) 沿晶断裂; (b) 穿晶断裂

2.2 压痕法生成裂纹的扩展特征

用硬度仪压痕法可以直接观察到努氏压痕作用在 Si₃N₄ 基的复相陶瓷表面, 在张应力的作用下样品表面裂纹扩展的路径。

Si₃N₄ (μ) /SiC (w) 样品表面, 断纹一般沿晶界传播。可以发现裂纹尖端遇到 SiC 晶须时会产生扭转、偏转 (图2 (a) ) , SiC 晶须断裂和拔出 (图2 (b) ) 。而晶须的增韧作用与它的分布及方向有密切的关系, 当晶须分布不均匀, 晶须方向平行于裂纹扩展方向时, 晶须对裂纹扩展的阻碍作用不强, 则达不到预期的增韧补强目的。因此这种样品的断裂强度和断裂韧性比微米Si₃N₄ 陶瓷材料还低。

在 Si₃N₄ (μ) /SiC (n) 复相陶瓷样品中, 添加的纳米 SiC 可能会出现在微米 Si₃N₄ 晶内, 也可能会出现在微米 Si₃N₄ 的晶界处, 晶界处的纳米 SiC 在烧结的过程中聚集长大, 形成约 0.5～0.7 μm 的 SiC 颗粒。研究结果表明纳米颗粒对陶瓷材料的补强增韧作用, 是由于纳米颗粒分布在 Si₃N₄ 晶内, 对位错的钉扎作用使位错很难发生滑移所致 ^[9] 。同时在烧结的过程中纳米 SiC 可以促进基体中的 α-Si₃N₄ 向 β-Si₃N₄ 转变, 细化了基体中 β-Si₃N₄ 晶粒, 并使部分β-Si₃N₄ 长成柱状。这种柱状晶可称为类晶须, 当类晶须均匀地分布在基体中, 具有类似于晶须的补强作用。因此在这种样品的表面可以观察到当裂纹尖端遇到聚集的纳米颗粒和 Si₃N₄ 类晶须时发生偏转、扭转和晶须 (图3 (a) ) 、Si₃N₄ 类晶须及聚集的纳米颗粒的断裂 (图3 (b) ) 。裂纹传播方式以沿晶断裂为主, 随着裂纹的扩展裂纹宽度逐渐变窄, 最后终止。在次生裂纹上可以观察到裂纹尖端遇到聚集的纳米颗粒发生扭转或停留, 在其他位置形成新的裂纹 (图4) 。其断裂强度为 862 MPa, 断裂韧性为 8.1 MPa·m^1/2。

图2 Si3N4 (μ) /SiC (w) 复相陶瓷样品的裂纹扩展特征

(a) 裂纹尖端遇到 SiC 晶须时产生扭转; (b) SiC 晶须断裂

图3 Si3N4 (μ) /SiC (n) 复合陶瓷样品的裂纹扩展特征

(a) 裂纹在聚集的纳米 SiC 处发生偏转; (b) Si₃N₄ 类晶须和聚集纳米颗粒断裂

Si₃N₄ (μ) /SiC (n、w) 样品兼顾了以上两种复相陶瓷材料的优点, 纳米颗粒和晶须发挥了协同补强增韧的作用。同时在试验中发现由于在复相陶瓷中添加了纳米颗粒, 晶须在材料中的成分较为均匀, 未发现晶须分布的各向异性。在样品上观察到裂纹产生在压痕的尖端处, 裂纹一般沿晶界传播。裂纹发展的初期宽度不变, 在裂纹的传播过程中, 当尖端遇到聚集的纳米颗粒、类晶须和晶须时裂纹发生偏转 (图5 (a) ) , 同时可观察到 Si₃N₄ 类晶须和聚集的纳米颗粒断裂 (图5 (b) ) 。随着裂纹的扩展, 可以观察到裂纹分叉, 偶尔可以发现裂纹尖端终止在聚集纳米颗粒或晶须的位置, 这是由于聚集的纳米颗粒和晶须阻碍裂纹发展使其停止, 然后在结合力比较小的其他颗粒上产生新的裂纹。随着裂纹的扩展裂纹宽度逐渐变窄, 最后终止。在原有的压痕上继续加载, 裂纹进一步扩展, 裂纹的扩展方式与主裂纹的扩展方式基本相同。此材料的断裂强度比 Si₃N₄ (μ) 陶瓷提高 24.7%, 比 Si₃N₄ (μ) /SiC (w) 提高 36.1%, 比 Si₃N₄ (μ) /SiC (n) 提高 4.2%;断裂韧性比 Si₃N₄ (μ) 陶瓷提高 43.1%, 比 Si₃N₄ (μ) /SiC (w) 提高 80.7%, 比 Si₃N₄ (μ) /SiC (n) 提高 27.2%。

图4 次生裂纹扩展特征

总之在裂纹扩展方向遇到晶须、类晶须、聚集的纳米晶粒时, 裂纹将发生偏转、扭转、分叉, 晶须、类晶须、聚集的纳米晶粒断裂或拔出, 消耗了裂纹的断裂能, 抑制了主裂纹的扩展, 导致材料断裂强度和韧性的提高。因此在 Si₃N₄ 基的复相陶瓷中添加 SiC 纳米颗粒和晶须, 可以达到增韧补强的作用。

2.3 透射电镜分析裂纹扩展

当 Si₃N₄ (μ) /SiC (n、w) 复相陶瓷材料发生断裂时, 裂纹主要沿 Si₃N₄ 的晶界扩展, 也可能穿过少数 Si₃N₄ 晶粒。在复相陶瓷材料内, 分布在 Si₃N₄ 晶界的 SiC 晶须对裂纹扩展路径有明显的影响。当裂纹扩展路径遇到 SiC 晶粒和/或SiC 晶须时也可能发生分叉和扭转, 此现象与扫描电镜的观察是一致的。图6表示裂纹扩展遇到 SiC 晶粒时发生偏转的情况。

裂纹扩展过程遇到 SiC 晶粒和/或 SiC 晶须时, 其扩展方向发生改变, 或发生扭转或分叉, 将分散或减小其扩展能, 这可能是 Si₃N₄ (μ) /SiC (n、w) 复合陶瓷材料断裂强度和断裂韧性提高的原因。