採用熱壓燒結法制備了Si3 N4/碳納米管複合材料,研究了碳納米管的含量及不同燒結溫度對該材料的力學性能的影響,主要探討了該複合材料的強韌化機理。下面是小編蒐集整理的相關內容的論文，歡迎大家閱讀參考。
摘要：納米管是一種常見的複合材料，金屬陶瓷、氮化硅和碳化硅陶瓷等高分子聚合物和陶瓷等成爲複合材料體系中的重要組成部分，其具有優異的性能，以增強體極限的形式存在，有較強的增強增韌的效果。因此，文章針對碳納米管增韌氮化硅陶瓷複合材料的研究，從而發揮碳納米管的潛能。
關鍵詞：碳納米管;增韌;氮化硅陶瓷;複合材料
碳納米管主要是由單層或者是多層圓柱石墨片而組成的，所以碳納米管分爲單壁和多壁之分[1]。當前，碳納米管增韌氮化硅陶瓷作爲複合材料，需要人們加大對其的研究力度，進而提升材料的抗熱震性能，並加強其材料的應用，使得碳納米管氮化硅陶瓷複合材料的增韌性有明顯提升。
一、實驗
1.1原料
本次對碳納米管增韌氮化硅陶瓷複合材料進行研究過程中，試驗原料包含氮化硅(Si3N4)、氧化釔(Y2O3)、氧化鋁(Al2O3)、乙醇(C2H2)、石墨紙(C)、氮氣(N2)。SiN4是上海硅酸鹽研究所生產的，的含量超過85%，而且費氏粒度達到1.2μm，在實驗過程中，在碳納米管內加入濃硝酸和濃硫酸混合液，配比爲3：1。在碳納米管中加入添加劑MgO和CeO2，試樣原料的配比具體如表1所示。
1.2工藝流程
實驗人員預先對碳納米管進行處理，按照一定比例予以分配，在塑料筒內將酒精和硬質的合金球加以溼磨處理，磨好後的混合料在乾燥的環境下過篩[2]。此外，稱取少量的粉末，將其放入石墨模具中，按照設定的燒結工藝其進行燒結，最後，對燒結試樣的硬度、密度和韌性等指標予以測量，並利用顯微鏡對試樣斷面的顯微結構和晶相結構予以分析[3]。在燒結過程中，利用熱壓燒結方式，以15℃/min的速度將溫度分別升至1600℃、1650℃、1700℃、1750℃，保溫1h，在氮氣保護下，保證壓力爲30Mpa，然後爐內的溫度在自然狀態下與室內溫度一致。
1.3測試
對試樣的測試方法具體如下：密度根據國標GB2413-18，並結合阿基米德定律，測量乾燥試樣的質量m1，試樣吸水飽和質量爲m2，在水中的質量爲m3，然後代入公式求得試樣體積密度ρ0=m1ρ0/(m2-m3)，其中，ρ0爲室溫下液體水的密度，根據室溫查有關表查得ρ0值[4]。燒結試樣的理論密度計算公式爲：1/d=n1/d1+n2/d2+n3/d3......+nm/dm)，然後利用排水法測量密度，除以理論密度就能夠求得試樣的相對密度[5]。測量材料的斷裂韌性和硬度需要採用壓痕法，本次加載壓力爲1kg，加載時間爲40s，斷裂韌性的計算公式爲KIC=0.016(E/HV)1/2P/b3/2。式中的Hv是硬度，GPa;E爲彈性模量，MPa，P爲載荷，N;B爲裂紋半長，單位是mm。透過用掃描電鏡對斷口形貌，在測試時，加速電壓爲25kV，粉分辨率爲6nm。
二、結果與討論
2.1氮化硅陶瓷複合材料的力學性能
透過對碳納米管進行試驗研究表明，當燒結溫度爲1600℃、1650℃、1700℃時，試樣的硬度和密度隨着碳納米管的的加入而減少，碳納米管的加入不利於改善氮化硅陶瓷複合材料性能。燒結溫度爲1750℃，在碳納米管中加入0.99%試樣，其斷裂韌性和硬度最佳，分別爲7.47MPa°m1/2和16GPa，與未加入相比，提升了6%。如果碳納米管的加入量增加時，試樣的力學性能下降，氮化硅陶瓷的燒結溫度提升[6]。
2.2氮化硅陶瓷複合材料的顯微結構
透過對氮化硅陶瓷複合材料結構進行顯微觀察，晶粒發育比較良好，緻密度也很高，而且有細長柱狀的β-SiN3和等軸狀的α-SiN。
2.3實驗結果分析
透過實驗結果表明，碳納米管的.作用主要爲如下幾個方面，第一，能夠進行氮化硅陶瓷材料的孔隙，複合材料的緻密度低。第二，在燒結過程中，碳納米管能夠阻礙複合材料的融合，降低緻密度。如果碳納米管的含量低，可以被氮化硅粉末分散，達到填充的效果，避免結團;當其含量增加時，緻密度下降。如果碳納米管的加入量少於1%，氮化硅材料的纖維和緻密度、硬度都增加;若加入量少於2%，緻密度下降，並出現碳納米管粘連的現象，纖維長徑比減小，隔斷了氮化硅的連續性。在本次實驗中，碳納米管的最佳加入量爲1%。試驗的斷裂爲沿晶斷裂，而且碳納米管分佈不均勻，粘結較少，在斷口處能將碳納米管拔出。此外，碳納米管和氮化硅的熱膨脹匹配性較好[7]。
三、結束語
在1700℃熱壓下進行燒結，並配合MgO和CeO2複合燒助劑的使用，能夠降低燒結溫度，獲取高緻密度的SiN4製品。燒結溫度爲1600℃、1650℃、1700℃時，碳納米管增加，但氮化硅陶瓷的相對硬度和密度減少，如果碳納米管含量爲0.99%，則氮化硅陶瓷複合材料的韌性提升6%，如果過度的增加，將起到相反效果。碳納米管增韌氮化硅複合材料主要靠纖維拔出機制，從而提升氮化硅陶瓷的韌性[8]。
參考文獻
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[8]張莉，皮孝東，楊德仁，等.硅納米晶體在太陽電池中的應用[J].材料導報，2012，26(21)：128-134.