碳納米管增韌氮化硅陶瓷復合材料的研究

徐明　方斌

摘 要：納米管是一種常見的復合材料，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為復合材料體系中的重要組成部分，其具有優(yōu)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復合材料的研究，從而發(fā)揮碳納米管的潛能。

關鍵詞：碳納米管；增韌；氮化硅陶瓷；復合材料

碳納米管主要是由單層或者是多層圓柱石墨片而組成的，所以碳納米管分為單壁和多壁之分[1]。當前，碳納米管增韌氮化硅陶瓷作為復合材料，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，并加強其材料的應用，使得碳納米管氮化硅陶瓷復合材料的增韌性有明顯提升。

1 實驗

1.1 原料

本次對碳納米管增韌氮化硅陶瓷復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，配比為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濕磨處理，磨好后的混合料在干燥的環(huán)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，最后，對燒結試樣的硬度、密度和韌性等指標予以測量，并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，保證壓力為30Mpa，然后爐內的溫度在自然狀態(tài)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，并結合阿基米德定律，測量干燥試樣的質量m1，試樣吸水飽和質量為m2，在水中的質量為m3，然后代入公式求得試樣體積密度？籽0=m1？籽0/（m2-m3），其中，？籽0為室溫下液體水的密度，根據室溫查有關表查得 ？籽0值[4]。

燒結試樣的理論密度計算公式為：1/d=n1/d1+n2/d2+n3/d3......+nm/dm），然后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采用壓痕法，本次加載壓力為1kg，加載時間為40s，斷裂韌性的計算公式為KIC=0.016（E/HV）1/2P/b3/2。式中的Hv是硬度，GPa；E為彈性模量，MPa，P為載荷，N；B為裂紋半長，單位是mm。通過用掃描電鏡對斷口形貌，在測試時，加速電壓為25kV，粉分辨率為6nm。

2 結果與討論

2.1 氮化硅陶瓷復合材料的力學性能

通過對碳納米管進行試驗研究表明，當燒結溫度為1600℃、1650℃、1700℃時，試樣的硬度和密度隨著碳納米管的的加入而減少，碳納米管的加入不利于改善氮化硅陶瓷復合材料性能。燒結溫度為1750℃，在碳納米管中加入0.99%試樣，其斷裂韌性和硬度最佳，分別為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 氮化硅陶瓷復合材料的顯微結構

通過對氮化硅陶瓷復合材料結構進行顯微觀察，晶粒發(fā)育比較良好，致密度也很高，而且有細長柱狀的？茁-SiN3和等軸狀的？琢-SiN。

2.3 實驗結果分析

通過實驗結果表明，碳納米管的作用主要為如下幾個方面，第一，能夠進行氮化硅陶瓷材料的孔隙，復合材料的致密度低。第二，在燒結過程中，碳納米管能夠阻礙復合材料的融合，降低致密度。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，致密度下降。如果碳納米管的加入量少于1%，氮化硅材料的纖維和致密度、硬度都增加；若加入量少于2%，致密度下降，并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(xù)性。在本次實驗中，碳納米管的最佳加入量為1%。試驗的斷裂為沿晶斷裂，而且碳納米管分布不均勻，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]。

3 結束語

在1700℃熱壓下進行燒結，并配合MgO和CeO2復合燒助劑的使用，能夠降低燒結溫度，獲取高致密度的SiN4制品。燒結溫度為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，如果碳納米管含量為0.99%，則氮化硅陶瓷復合材料的韌性提升6%，如果過度的增加，將起到相反效果。碳納米管增韌氮化硅復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

[1]王偉禮.氮化硼納米管的制備及其對氧化鋁和氮化硅陶瓷的強韌化作用[D].山東大學，2012.

[2]張蕾.氮化硅及碳化硅陶瓷復合材料高溫壓縮變形行為的研究[D].

哈爾濱工業(yè)大學，2010.

[3]余娟麗，李森，呂毅，等.冷凍注凝制備氮化硅陶瓷基耐高溫復合材料[J].硅酸鹽學報，2015，43（6）：723-727.

[4]王賀云.碳復合氮化硅陶瓷材料的制備與性能研究[D].中國科學院大學，2014.

[5]王燦，王艷莉，詹亮，等.碳納米管“種子”上生長碳納米管和氮摻雜碳納米管[J].新型炭材料，2011，26（2）：81-84.

[6]李根，楊楊.采用兩種不同燒結方法制備的氮化硅基納米復合材料[J].耐火與石灰，2012，37（5）：53-56.

[7]張國富，楊楊.研磨時間對Si3N4納米復合材料燒結動力學的影響[J].耐火與石灰，2011，36（6）：49-51.

[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.