近日，《Materials Science & Engineering A》刊发我平台李亚伟教授团队最新研究成果：“Enhanced thermal shock resistance of BN-based composites sintered by hot-pressing with the introduction of nano oxides”：纳米氧化物的引入提高了热压烧结法制备的BN基复合材料的抗热震性能。
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，其他共同作者包括牛波，邱宝付，Mithun Nath，甘章华。
论文简介：BN材料具有极高的熔点(~2700℃)、良好的热震稳定性、化学稳定性、低介电系数、低损耗正切、环境友好等特点。同时，由于BN在熔融金属中的润湿性较差，使得BN基复合材料可以作为薄带铸件的侧封板材料。近几十年来，各种以AlN、AlON、SiC、Al2O3、Mullite、SiAlON为添加剂的BN基候选材料得到了发展。虽然与其他复合材料相比，BN基复合材料具有诸多优点，但其固有的烧结性能和力学性能较低等特点仍阻碍着BN的实际应用。在本研究中，目标是利用纳米复合氧化物来提高BN基复合材料的力学性能和抗热震性能。使用纳米氧化物添加剂降低了最终的颗粒尺寸，获得了均匀的BN取向。此外，在纳米ZrO2和Al2O3的存在下，复合氧化物促进了氧空位形成的烧结致密化行为。纳米氧化物的加入显著改善了复合材料的结构均匀性、力学性能和抗热震性能。引入10%Al2O3和10%ZrO2的BN基复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别显著提高至355.7MPa和5.78MPa m1/2。另外，BN基复合材料表现出优异的抗热震性，温差(ΔT)为1200 ℃时仍未观察到灾难性热应力破坏。强韧化的主要机制为“裂纹偏转”、“裂纹桥接”和“BN片层结构的拔出”，以及沿微颗粒的裂纹扩展路径的延长。
图1 非晶薄带浇铸工艺示意图
图2 BS25A5复合材料的TEM图像
整体形貌(a)，SiC (b)，BN (c)，BN与SiC界面(d)，纳米氧化物(e)，以及对应的元素分布图(f)
图3 BS25A10Z10复合材料的TEM图
整体形貌(a)、ZrO2 (b)、SiC (c)、ZrO2与SiC界面(d)、Al2O3 (e)及对应的元素分布图(f)
表1 BN基复合材料的物理、力学性能
Index | Bulk density (g/cm3) | Relative density (%) | Vickers’ hardness (GPa) | Young’s modulus (GPa) | Flexural strength (MPa) | Fracture toughness (MPa·m1/2) |
BS25A5 | 1.88±0.01 | 75.6 | 0.49±0.05 | 50.1±0.5 | 178.8±5.9 | 2.78±0.05 |
BS25A10 | 2.01±0.03 | 78.1 | 0.50±0.02 | 53.5±3.5 | 225.3±3.9 | 2.76±0.05 |
BS25A5Z10 | 2.29±0.01 | 85.6 | 0.84±0.03 | 78.1±0.6 | 276.3±9.9 | 3.90±0.16 |
BS25Z15 | 2.20±0.01 | 79.6 | 0.85±0.11 | 98.9±3.8 | 229.2±14.0 | 3.40±0.22 |
BS25Z20 | 2.21±0.03 | 78.4 | 0.48±0.01 | 61.5±7.0 | 198.3±7.4 | 2.72±0.02 |
BS25A10Z10 | 2.46±0.01 | 90.5 | 1.24±0.09 | 113.3±2.4 | 355.7±12.1 | 5.78±0.15 |
图4 BN基复合材料的残余强度(a)和残余强度比(b)
这项工作得到了国家自然科学基金面上项目(No.51702065、51872211)以及中央政府湖北省地方科技发展专项(No.2019ZYYD003、2019ZYYD076)的资助。
附：论文链接 https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138443
附：全文
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