近日，《Journal of Alloys and Compounds》刊发我平台李亚伟教授团队最新研究成果：“Effects of nano ZrO2 content on the comprehensive properties of BN-SiC composites”：纳米ZrO2含量对BN-SiC复合材料综合性能的影响。
论文第一单位是武汉科技大学国家重点实验室，第二单位是国地联高温材料与炉衬中心，第三单位是哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所。我平台青年教师廖宁为第一作者，李亚伟教授为共同通讯作者，其他共同作者包括邱宝付，Mithun Nath，桑绍柏。
论文简介：BN-SiC复合材料在熔融金属中的润湿性较差，成为薄带浇铸用侧封板和喷嘴理想材料体系。为进一步改善力学性能和抗合金腐蚀性，本工作采用纳米添加剂进行改性。结果表明：15wt.%纳米ZrO2含试样的抗弯强度和断裂韧性分别达到334.6MPa和4.60MPa·m1/2。此外，即使在1200℃的温差下，在热冲击试验中也没有观察到灾难性的断裂。此外，制备的复合材料在1600时表现出优异的耐钢蚀性能，这是由于其晶粒尺寸更细，且在界面处很快形成了ZrO2保护层。选择纳米氧化物的潜在优势如下：1)作为烧结添加剂，在降低氧化物含量的同时，促进致密化；2)抑制BN板过度生长，保证结构均匀；3)通过诱导裂纹沿细晶粒扩展延长路径来提高热应力抵抗能力；4)随着保护层的形成，提高钢材的耐腐蚀和抗渗透能力。
图1 BN-SiC基复合材料的SEM图片:(a) BS25A5，(b) BS25A5Z5，(c) BS25A5Z10，(d) BS25A5Z15
图2 BS25A5 (a)，BS25A5Z5 (b)，BS25A5Z10 (c)，BS25A5Z15 (d)复合材料的TEM图及对应的元素分布图
表1 BN-SiC基陶瓷的物理力学性能
Index | Bulk density (g/cm3) | Vickers’ hardness (GPa) | Young’s modulus (GPa) | Flexural strength (MPa) | Fracture toughness (MPa·m1/2) |
BO30 [27] | 3.28 | 1.7±0.1 | 132±13 | 334±1 | 4.6±0.2 |
BO21 [27] | 3.21 | 1.5±0.1 | 118±6 | 295±1 | 4.0±0.3 |
BO12 [27] | 3.24 | 1.5±0.3 | 102±10 | 228±9 | 3.5±0.2 |
BS25A5 | 1.88 | 0.49±0.05 | 50.1±0.5 | 178.8±5.9 | 2.78±0.05 |
BS25A5Z5 | 2.11 | 0.54±0.01 | 79.1±2.7 | 228.0±2.8 | 3.36±0.14 |
BS25A5Z10 | 2.29 | 0.84±0.03 | 78.1±0.6 | 276.3±9.9 | 3.90±0.16 |
BS25A5Z15 | 2.41 | 0.83±0.02 | 83.5±5.5 | 334.6±0.1 | 4.60±0.13 |
图3 BN-SiC复合材料热冲击试验后的残余强度(a)及相应的残余强度比(b)
图4 BN-SiC复合材料经合金熔体腐蚀后的界面结构：(a) BSA5Z5试样和(b) BSA5Z15试样
这项工作得到了国家自然科学基金面上项目(No. 51702065和 51872211)的资助。
附：论文链接 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152180
附：全文
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