包覆法制備 Gp/S iC復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能

喻 亮,闞 東,茹紅強(qiáng),岳新艷,蘭 勇

(1.桂林理工大學(xué) 有色金屬及材料加工新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)(2.東北大學(xué) 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110004)

包覆法制備 Gp/S iC復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和性能

喻 亮1,闞 東2,茹紅強(qiáng)2,岳新艷2,蘭 勇2

(1.桂林理工大學(xué) 有色金屬及材料加工新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)(2.東北大學(xué) 材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110004)

以不同粒徑的石墨顆粒和 SiC粉體為原料,采用 SiC粉體包覆石墨顆粒的方法,于 2 000℃熱壓制備了石墨/碳化硅 (Gp/SiC)復(fù)合材料.利用掃描電子顯微鏡 (SEM,EDS)分析了材料的金相和斷口顯微結(jié)構(gòu).研究表明,石墨粒徑較小且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少的復(fù)合材料比石墨粒徑較大且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較多的復(fù)合材料在熱壓工藝中更致密.石墨顆粒呈島狀緊密地鑲嵌在 SiC基體中,石墨與 SiC界面處 C和 Si的擴(kuò)散不明顯.復(fù)合材料的相對(duì)密度、抗折強(qiáng)度,斷裂韌性和硬度隨石墨粒徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少而增加.斷口形貌表明 SiC陶瓷基體為脆性,石墨為韌性斷裂.當(dāng)石墨粒徑為 125μm、SiC與石墨的質(zhì)量比為 3.5時(shí),復(fù)合材料的綜合性能最佳,開口氣孔率為 0.3%,相對(duì)密度為 97.9%,抗折強(qiáng)度為 75±15 MPa,斷裂韌性為 5.4±0.5 MPa·m1/2,硬度為 26.8±3GPa.

復(fù)合材料;包覆;石墨 /碳化硅;顯微結(jié)構(gòu);力學(xué)性能

與傳統(tǒng)的金屬和半金屬制動(dòng)材料相比,C/SiC復(fù)合材料具有密度低、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨損量小、制動(dòng)比大和使用壽命長等突出優(yōu)點(diǎn)[1];與C/C復(fù)合材料相比,C/SiC復(fù)合材料具有抗氧化性優(yōu)良,摩擦系數(shù)高而穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此 C/SiC作為新一代剎車材料具有廣闊的應(yīng)用前景[2].目前,C/SiC摩擦材料的研究主要集中在碳纖維增強(qiáng) SiC[3],SiC纖維增強(qiáng) C基體[4],以及 SiC增強(qiáng)C/C等方面[5],但是這些方法制備成本高,周期長,制約了其在制動(dòng)材料方面的應(yīng)用[6].最新研究表明,將石墨和 SiC結(jié)合起來制成 Gp/SiC復(fù)合材料兼有石墨和陶瓷的雙重優(yōu)點(diǎn),耐磨性、抗氧化性遠(yuǎn)優(yōu)于碳 /碳材料,并具有高導(dǎo)電性、耐熱性和耐熱沖擊性能[7].其結(jié)構(gòu)特征為石墨鑲嵌入 SiC的網(wǎng)絡(luò)中,能潤滑摩擦面,從而改善復(fù)合材料的摩擦性能,并克服了石墨強(qiáng)度低,以及在 400℃以上易氧化的缺點(diǎn),同時(shí) SiC形成支撐骨架,具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度[8].本文采用 SiC粉體包覆電極石墨的方法制備了石墨 /碳化硅 (Gp/SiC)復(fù)合材料,研究了該材料的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,為其作為新型制動(dòng)材料提供理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用原料主要為電極石墨顆粒 (純度大于 95%,平均粒徑 d50分別為 250μm和125μm),SiC(純度大于 98%,平均粒徑 d50為0.5μm),聚乙烯醇溶液 (質(zhì)量濃度 10%).按照 SiC和石墨的質(zhì)量比分別為 3.5和 2.5配料.將石墨顆粒放入自制機(jī)械包覆裝置中,調(diào)節(jié)托盤的傾斜角度使石墨隨托盤轉(zhuǎn)動(dòng)而勻速滾動(dòng),加入少量 SiC粉,待SiC粉均勻黏附在石墨表面后,加入微量聚乙烯醇溶液,混合均勻后再加入少量的 SiC粉,并加入微量聚乙烯醇溶液,重復(fù)操作直至 SiC粉按配比均勻包覆在石墨表面.包覆完畢后,編成 4組,1#為粒徑 125μm的石墨,SiC與石墨質(zhì)量比為 3.5,表示為 1#(125μm,3.5),其余表示為 2#(125μm,2.5),3#(250μm,3.5)和 4#(250μm,2.5).將包覆好的原料裝入 Ф42 mm的石墨模具內(nèi)利用 ZGY M100型真空熱壓爐熱壓,熱壓條件:真空壓力小于 30 Pa,溫度 2 000℃,壓力 30MPa,保溫 45 min,升溫速率 10℃/min.利用金剛石鋸片將熱壓樣品切割成尺寸為 38 mm×6 mm×5(±1)mm的試樣,試樣經(jīng)拋光、清洗和烘干后進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析和性能測(cè)試.利用阿基米德原理測(cè)量材料體積密度和開口氣孔率,利用 10 t材料電子萬能拉伸機(jī)測(cè)量材料的三點(diǎn)抗折強(qiáng)度 (跨距25 mm),利用單邊缺口梁法 (SENB法,跨距25 mm,切口寬度 0.15～0.2 mm,深度 2 mm,加載速率 0.05 mm/min)采用式 (1)計(jì)算斷裂韌性[9].

式中,f(c/W)=2.0(c/W)1/2-4.6(c/W)3/2+21.8(c/W)5/2-37.6(c/W)7/2+38.7(c/W)9/2;PC為臨界載荷,陶瓷等脆性材料的臨界載荷即為最大載荷,N;S為跨距,mm;c為切口深度,mm;B為樣品寬度,mm;W為樣品高度,mm.利用 GX71倒置式金相顯微鏡觀察金相結(jié)構(gòu),利用 SSX-550掃描電鏡分析試樣顯微結(jié)構(gòu)和斷口形貌.

圖1 2 000℃熱壓 Gp/SiC復(fù)合材料金相照片F(xiàn)ig.1 Metallic phase of Gp/S iC composite by hot-pressing at 2 000℃

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

圖1為不同粒徑石墨和不同 SiC與石墨質(zhì)量比的 Gp/SiC復(fù)合材料的 SBSE照片.白色組織為SiC陶瓷,黑色組織為石墨,灰色組織為石墨與SiC陶瓷的復(fù)合相.圖 1a和 1b中石墨粒徑為125μm,較小粒徑石墨較均勻分散并緊密鑲嵌在SiC基體中,石墨和 SiC結(jié)合很緊密.石墨顆粒較小,在熱壓時(shí)對(duì) SiC粉體的流動(dòng)的阻礙不很明顯,SiC粉體最終燒結(jié)成致密的塊狀甚至大塊狀 SiC.圖 1a中 SiC與石墨質(zhì)量比為 3.5,此時(shí)石墨能比較均勻分散在 SiC基體中,圖 1b中 SiC與石墨質(zhì)量比為 2.5,此時(shí)有石墨團(tuán)聚.由此可知,石墨所占質(zhì)量比越大,越不易均勻分散.這是利用聚乙烯醇將 SiC黏結(jié)在石墨表面,熱壓時(shí)聚乙烯醇蒸發(fā),包覆石墨的部分 SiC脫落,同時(shí) SiC熱壓時(shí)會(huì)填充到石墨與碳化硅的空隙中,從而造成石墨在SiC基體中彌散不均勻.

圖1c和 1d中的石墨粒徑為 250μm的復(fù)合材料的 SBSE照片.由圖 1c可以看出,石墨在 SiC中分布較均勻,而圖 1d中少量石墨有聚集,并有少量氣孔.這是因?yàn)闊Y(jié)過程由顆粒重排、氣孔填充和晶粒傳質(zhì)生長等階段組成,粒徑大的石墨減少了 SiC間的接觸,阻礙了 SiC流動(dòng),增加了石墨間接觸,而石墨較強(qiáng)的燒結(jié)惰性導(dǎo)致了復(fù)合材料的致密度降低[7].因此,減少石墨的粒徑是獲得致密的 Gp/SiC復(fù)合材料的有效方法.

圖2為 SiC陶瓷與石墨界面的線掃描照片.由圖可知,界面處的 C和 S擴(kuò)散的深度約為 10～20μm,界面處富 Si的石墨和富 C的 SiC陶瓷沒有形成較好的過渡相.SiC陶瓷與石墨界面的界面結(jié)合屬于機(jī)械結(jié)合[10].陶瓷基復(fù)合材料中的界面大多以機(jī)械結(jié)合為主.

圖3為 Gp/SiC復(fù)合材料斷口形貌的 SEM照片.由圖可以看出,粒徑不同,石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的復(fù)合材料斷裂后斷口顯微結(jié)構(gòu)有差異.由圖 3a和圖 3b可知當(dāng)石墨粒徑較小時(shí),SiC陶瓷基體非常致密,石墨顆粒嵌入 SiC陶瓷基體中.將圖 3a方框處放大成圖 3c,可見陶瓷相的斷口則較平整,表現(xiàn)為脆性斷裂特征,石墨和 SiC的界面結(jié)合處致密,強(qiáng)度較高,因此石墨顆粒撕裂后被拔出.將圖 3b方框處放大成圖 3d,可見石墨斷裂后的分層,并可見石墨層抽拔后留下的空隙.由圖 3e可以看到當(dāng)石墨粒徑較大時(shí),石墨顆粒聚集形成的大石墨塊,當(dāng)石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)斷口表面粗糙程度較大.石墨在材料中增韌作用明顯,斷裂時(shí)裂紋從試樣表面基體層開始擴(kuò)展,由于陶瓷相強(qiáng)度高,裂紋不易橫穿過陶瓷層,裂紋穿過石墨層則容易,因而裂紋在陶瓷層與石墨層之間發(fā)生偏轉(zhuǎn).復(fù)合材料中的這種裂紋路徑的轉(zhuǎn)移是斷裂韌性提高的主要原因.此外,在石墨與 SiC界面處可見微裂紋.這是復(fù)合材料從熱壓溫度降到室溫時(shí),石墨與 SiC的熱膨脹不匹配使得材料中的熱應(yīng)力通過界面開裂得到釋放的結(jié)果.由于 SiC陶瓷與石墨之間的界面結(jié)合屬于機(jī)械結(jié)合,機(jī)械結(jié)合只有當(dāng)平行于界面施力時(shí)其傳遞載荷才有效,所以,當(dāng)斷裂主裂紋到達(dá)陶瓷相區(qū)后,裂紋會(huì)發(fā)生偏斜,轉(zhuǎn)向石墨與 SiC界面等強(qiáng)度較低的區(qū)域,導(dǎo)致弱界面分層,從而提高了材料的斷裂韌性.整個(gè)材料的斷裂特征為沿晶斷裂與穿晶斷裂的混合方式.

圖2 1#(125μm,3.5)Gp/SiC復(fù)合材料界面線掃描Fig.2 Linear scanning of Gp/SiC sample 1#(125μm,3.5)interface

表1為測(cè)得的 Gp/SiC復(fù)合材料各項(xiàng)力學(xué)性能值.由表可看出,復(fù)合材料的相對(duì)密度、抗折強(qiáng)度,斷裂韌性和硬度隨石墨粒徑和石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少而增加.當(dāng)石墨粒徑為 125μm、SiC與石墨質(zhì)量比為 3.5時(shí),1#(125μm,3.5)試樣的開口氣孔率為 0.3%,相對(duì)密度為 97.9%,抗折強(qiáng)度為 75±15 MPa,斷裂韌性為 5.4 ±0.5 MPa·m1/2,硬度為 26.8±3 GPa.這是因?yàn)槭w粒鑲嵌在碳化硅基體中,形成孤島狀,使得材料具有很高的致密度,因此材料具有較高的抗折強(qiáng)度和斷裂韌性.同時(shí),碳化硅本身的高硬度,材料的硬度值隨著 SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加,隨著石墨顆粒粒徑的降低而增加.同時(shí),石墨粒徑較大,質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,導(dǎo)致碳化硅流動(dòng)性不好,材料致密度降低,各性能也不如 1#(125μm,3.5)試樣.

圖3 2 000℃熱壓 Gp/SiC復(fù)合材料斷口 SEM照片F(xiàn)ig.3 Fracture morphology of Gp/SiC composites by hot-pressing at 2 000℃(a,c)—1#(125μm,3.5);(b,d)—2#(125μm,2.5);(e)—3#(250μm,3.5);(f)—4#(250μm,2.5)

表1 Gp/SiC復(fù)合材料的力學(xué)性能Table 1 Mechanicalp roperty of Gp/S iC composites

圖4為 1#(125μm,3.5)試樣 2 000℃熱壓燒結(jié)三點(diǎn)抗彎的位移 -載荷曲線.曲線表現(xiàn)為載荷呈非線性上升,說明在達(dá)到最大載荷之后,陶瓷基體產(chǎn)生突發(fā)的脆性斷裂方式,石墨表現(xiàn)為韌性斷裂方式,使曲線呈波折起伏狀緩慢下降.這是材料在斷裂的過程中,試樣內(nèi)部微裂紋的存在,隨載荷增大,局部應(yīng)力集中將造成試樣內(nèi)部的區(qū)域性破壞,但試樣整體仍能承受更大的載荷.結(jié)合圖3a斷口形貌進(jìn)一步證明了材料為沿晶斷裂與穿晶斷裂的混合方式.

圖4 2 000℃熱壓 1#(125μm,3.5)試樣的位移 -載荷曲線Fig.4 D isplacement-load curve of samp le 1#(125μm,3.5)at 2 000 ℃

3 結(jié) 論

采用 SiC粉體包覆電極石墨的方法制備了Gp/SiC復(fù)合材料,并研究了材料的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,得到如下結(jié)論:

(1)石墨粒徑較小且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的復(fù)合材料比石墨粒徑較大且質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的復(fù)合材料更致密.石墨顆粒呈島狀鑲嵌在 SiC基體中,石墨與SiC界面處 C和 Si的擴(kuò)散不明顯.

(2)復(fù)合材料的相對(duì)密度、抗折強(qiáng)度、斷裂韌性和硬度隨石墨粒徑和石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少而增加.SiC陶瓷基體為脆性斷裂,石墨為韌性斷裂,材料為沿晶斷裂與穿晶斷裂的混合方式.當(dāng)石墨粒徑為 125μm、SiC與石墨的質(zhì)量比為 3.5時(shí),復(fù)合材料的開口氣孔率為 0.3%,相對(duì)密度為 97.9%,抗折強(qiáng)度為 75±15 MPa,斷裂韌性為 5.4±0.5MPa·m1/2,硬度為 26.8±3 GPa.

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M icrostructure and properties of Gp/SiC composite by coating method

YU L iang1,KAN D ong2,RU H ong-qiang2,YU E Xin-yan2,LAN Yong2

(1. Key Laboratory of N ew Processing Technology forN onferrousM etals&Materials(M inistry O f Education),Guilin U niversity of Technology,Guilin 541004,China;2. Key Laboratory for Anisotropy and Texture ofMaterials(M inistry of Education),N ortheastern U niversity,Shenyang 110004,China.)

Gp/SiC composites have been prepare w ith such raw m aterials as the graphite particle of different size and SiC pow der by coating and hot-pressing process at 2 000℃. The m icrostructure and fracture m orphology w ere m easured by scanning electron m icroscopy(SEM)and electron energy spectrum (EDS).The results show that s m all size graphite particles and less graphite content improves the densification behavior of the composites during the hotpressing process,compared w ith that of large size graphite particles and m ore graphite content.The graphite particles are em bedded tightly in the SiC m atrix as the islands,and the diffusion of C atom and Si atom is not obvious located the interface of graphite cores and SiC m atrix.The fractograph exhibited typical ductile fracture of graphite,w hile the brittle fracture of SiC.The relative density,flexural strength,fracture toughness,and hardness increase w ith particle size of graphite and graphite content decreasing. The apparent porosity,relative density,flexural strength,fracture toughness,and hardness of the composite are 0.3%,97.9%,75 ±15 M Pa,5.4 ±0.5 M Pa·m1/2,26.8 ±3 GPa,respectively,w hich containing the m ass rate of SiC and graphite of the size 125μm is 3.5.

composite;coat;Gp/SiC;m icrostructure;m echanical property

TB 335

A

1671-6620(2010)04-0260-05

2010-04-27.

國家自然科學(xué)基金資助 (No.50902018);國家教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)基金資助 (No.20060145028);遼寧省自然科學(xué)基金資助 (No.20072026);東北大學(xué)基本科研基金資助 (No.N090302005).

喻亮 (1976—),男,重慶人,桂林理工大學(xué)講師,E-mail:syyuliang@163.com.