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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

发布者:高温材料与炉衬技术国家地方联合工程研究中心发布时间:2020-05-05浏览次数:150

 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AlNAlONSiCAl2O3MulliteSiAlON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ZrO2Al2O3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%Al2O310%ZrO2BN基复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别显著提高至355.7MPa5.78MPa m1/2另外,BN基复合材料表现出优异的抗热震性,温差(ΔT)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。

1 非晶薄带浇铸工艺示意图

2 BS25A5复合材料的TEM图像

整体形貌(a)SiC (b)BN (c)BNSiC界面(d)纳米氧化物(e)以及对应的元素分布图(f)

3 BS25A10Z10复合材料的TEM

整体形貌(a)ZrO2 (b)SiC (c)ZrO2SiC界面(d)Al2O3 (e)及对应的元素分布图(f)

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


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.5170206551872211)以及中央政府湖北省地方科技发展专项(No.2019ZYYD0032019ZYYD076)的资助。


附:论文链接 https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138443

附:全文Enhanced thermal shock resistance of BN-based composites sintered by hot-pressing with the introduction of nano oxides.pdf