哈爾濱工業大學J. Am. Ceram. Soc.：SiBCN整體材料碳含量依賴性相組成，微結構演變及其力學性能

【引言】

航空航天和航空工業領域一直在尋求高溫下仍具有強力學性能和高熱力學穩定的材料。結構陶瓷由于具有耐燒結，硬度高等優點成為該領域十分有前景的候選材料，但其加工成分復雜，成形性差限制了結構陶瓷的進一步應用。

?【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學賈德昌教授以及楊治華副研究員(共同通訊作者)等人在J. Am. Ceram. Soc.發表一篇題為“Carbon-content-dependent phase composition, microstructural evolution, and mechanical properties of SiBCN monoliths”的文章。該團隊通過機械合金化后進行反應熱壓制備了三種具有相同的Si/B/N摩爾比的SiBCN單塊：貧碳，中等和高碳含量的整體材料，并就碳相組成，微觀結構演變和力學性能的影響進行了研究。研究結果表明，BN(C)區域內的結構演變包括無定形碳的石墨化和BN(C)的橫向生長，伴隨結構演變過程缺陷濃度增加。由于嵌入無序碳，使得缺陷形成于BN(0002)基面內，進而決定了BN(C)的形態演變。貧碳整體材料的微觀結構和高碳含量整體材料的過剩碳都使其力學性能和密度惡化。

【圖文導讀】

圖1 ?XRD分析

(A)和(B)通過機械合金及反應熱壓制備的納米晶SiBCN整體材料的典型XRD圖案；

(C) 慢掃描范圍從2θ25.0到28.0的XRD圖案;

圖2 不同碳含量合成SiBCN的電鏡圖

(1)

(2)

(3)

(4)

(1) 貧碳含量S2(A-C)和S3(D-F)TEM圖；

(2) 中度碳含量S4(A-C)和S5(D-F)TEM圖；

(3) 中度碳含量S7(A-C)到富含碳S8(D-F)和S9(G-I)的微觀結構演變；

(4) 具有不同碳含量的燒結SiBCN大塊材料斷裂形貌；

圖3 不同碳含量SiBCN大塊材料拉曼光譜

為了進一步研究BN（C）相的結構演變，使用拉曼光譜來確定游離碳的演變。其中對于貧碳大塊材料（S2和S3），沒有檢測到游離碳的拉曼信號，然而Si-Si和Si-C譜帶與XRD和TEM觀察結果一致；

圖4?不同碳含量SiBCN大塊材料力學性能和相對密度對比

(A)

(B)

(A) 不同碳含量SiBCN機械性能；

(B) 不同碳含量SiBCN相對密度；

【小結】

碳貧SiBCN大塊材料由大量的Si金屬，t-BN和少量的SiC組成，而中度碳含量和富碳整體材料則是以碳化硅和亂層氮化硼為主。Si₃N₄和B₄C的原位形成在熱力學上是不可行的。燒結過程中SiC反應優先級高于BN（C），同時該研究成果表明隨機嵌入無序碳可以有效地提高BN（0002）基面的缺陷團聚，從而決定BN（C）相的形貌。通過機械合金化及反應熱壓后，SiBCN整體材料顯示出碳含量依賴性相組成且微觀結構伴有形態演變，過高或過低的碳含量都會使其機械性能惡化，該研究成果將對選擇具有優質機械性能的SiBCN整體材料提供理論參考。

?文獻鏈接：Carbon-Content-Dependent Phase Composition, Microstructural Evolution, and Mechanical Properties of Sibcn Monoliths (J. Am. Ceram. Soc., 2017, DOI: 10.1111/jace.15342)

本文由材料人編輯部連婷婷編譯， 劉宇龍審核， 點我加入材料人編輯部。

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