清华大学谢志鹏团队：放电等离子低温烧结BN-SiC复相陶瓷的结构与力学性能

六方氮化硼(h-BN)具有类似于石墨的独特层状结构和优异的综合性能，如优良的抗热震稳定性、高热导率、低热膨胀系数、良好的化学稳定性和易加工等优点，是一种^吸引力的高温陶瓷材料，目前已在非晶合金喷嘴、热电偶保护管以及水平连铸分离环等高温环境中应用。但由于h-BN为极强的共价键结合，难以烧结和获得高致密的烧结体。

在h-BN陶瓷基体中引入SiC就是一种非常有效的解决途径，在形成的h-BN-SiC复相陶瓷中，能充分发挥两相的性能优点。其中，h-BN能够起到增韧作用，提高复相陶瓷的抗热震性、抗腐蚀性、可靠性及机加工性，而且在高温时增韧效果更好；SiC则能够提高强度和抗热冲击性能。相比于SiC成分为主的复相陶瓷，h-BN含量为主，能够使h-BN-SiC复相陶瓷材料抗热震性更佳，而SiC作为第二相的存在，使得h-BN-SiC复相陶瓷相比于单一相的h-BN陶瓷硬度和耐磨性都得到显著提高。

本文以纳米h-BN为基体材料、硬质SiC为第二相、B₂O₃为烧结助剂，利用放电等离子烧结(SPS)低温制备h-BN-SiC复相陶瓷，研究了烧结压力对h-BN-SiC复相陶瓷的致密化、微观结构及力学性能的影响。

样品制备

h-BN粉纯度≥99%(质量分数)，平均粒径小于1μm，B₂O₃含量约为0.23%；纳米SiC粉纯度≥99%，平均粒径为40nm；B₂O₃粉纯度≥98%。在配制的烧结混合粉料中，h-BN含量为70%(质量分数)，SiC含量为25%，烧结助剂B₂O₃为5%。将各原料按预定配比称量后放入球磨罐中，加入氧化锆磨球和无水乙醇用球磨机球磨24h，之后将球磨好的混合料进行干燥、过筛、造粒，最后将混合粉料装入石墨模具中，用SPS-1050T烧结炉在真空气氛下进行低温热压快速烧结，烧结温度为1600℃，烧结压力分别为20、30、40和50MPa，保温时间为10min，烧结后的试样经切割、研磨、抛光后进行性能表征。

样品表征

1、物相及h-BN织构化分析

由图1a可以看出，不同压力烧结的复相陶瓷中物相组成基本相同，主要相均为h-BN和SiC，无其它新相生成。这说明h-BN与SiC在烧结过程中并未发生明显的化学反应，样品内部晶粒主要由h-BN和SiC组成。进一步分析可知，SiC主要以3C-SiC和6H-SiC晶型存在。

图1b为烧结温度在1600 ℃时，h-BN-SiC复相陶瓷IOP值随烧结压力的变化关系。从图1b可以看出，总体上h-BN片状晶粒的c轴倾向于平行压力方向，但在烧结压力从20MPa增大到30MPa时，显气孔率快速降低，提高了致密度，促进了h-BN片状晶粒的重新排列，使更多h-BN片状晶粒的c轴与压力方向平行。

从图2可以看出，大多数片状h-BN晶粒直径小于1μm，厚度约为0.1μm，不同烧结压力样品的断口均凹凸不平，为典型的沿晶断裂模式。由于SiC含量少，SiC晶粒被包裹在h-BN片层中，断裂面上仅能看到极少数SiC晶粒。

SiC硬颗粒宏观上弥散分布于h-BN基体中，一方面起到晶粒强化作用；另一方面当裂纹^在扩展过程中遇到SiC晶粒，裂纹^会在晶粒表面发生偏转，增加断裂功的消耗，从而提高h-BN-SiC复相陶瓷的力学性能。

图3为h-BN-SiC复相陶瓷样品的相对密度和显气孔率随烧结压力变化曲线。由图3可以看出，随烧结压力升高，h-BN-SiC复相陶瓷的致密化程度提高。这说明增大烧结压力能够提高颗粒扩散的动力，加快气体排出，促进颗粒移动和颗粒之间的重新排列，从而促进h-BN-SiC复相陶瓷的烧结和致密化，但是，过大的烧结压力对h-BN-SiC复相陶瓷的致密化影响较小。

从图4可以看出，增大烧结压力提高了复相陶瓷的力学性能，但在烧结压力超过40MPa后，抗弯强度变化不显著，仅增加了1.1%，而断裂韧性值则有明显降低。

从图5可以看出，由于SiC颗粒的存在，严重阻碍了h-BN片状晶粒的方向性排列，而h-BN片状晶粒也抑制了SiC颗粒的长大，使得SiC颗粒比较细小，一方面起到了弥散强化的作用，另一方面又可以填充h-BN片状晶粒因互相支持形成的空隙，从而提高复相陶瓷的致密度和抗弯强度。

利用SPS低温烧结制备了h-BN-SiC复相陶瓷，通过调节烧结压力获得了致密化和力学性能均较好的复相陶瓷材料。不同烧结压力制备的复相陶瓷中h-BN晶粒的c轴倾向于平行压力方向，增大烧结压力能够提高h-BN-SiC复相陶瓷的致密化和力学性能，但较大的烧结压力(>40MPa)对复相陶瓷的致密度和力学性能影响较小，而且会降低h-BN晶粒的c轴倾向于平行压力方向的取向度和断裂韧性。在烧结压力为40MPa时复相陶瓷获得了较佳的综合性能，相对密度、抗弯强度和断裂韧性分别达到98%、289.2MPa和3.45MPa·m^1/2。不同烧结压力制备的h-BN-SiC复相陶瓷的断裂均为典型的沿晶断裂，微裂纹及裂纹偏转提高了复相陶瓷的断裂韧性。