αSiC

Aug 16, 2023

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 4306 (2023) Цитировать эту статью

495 Доступов

Подробности о метриках

В данной работе были исследованы механические свойства спеченных без давления образцов композита на основе α-SiC, содержащего 0–3 мас.% графена и 0–15 мас.% нано β-SiC. Одновременное использование нано-β-SiC и графена и преобразование β-SiC (3C) в α-SiC (6H/4H) привело к удлинению вторичных зерен α-SiC, что значительно улучшило механические свойства (например, вязкость разрушения) SiC. керамика. Согласно результатам, наибольшие Относительная плотность 99,04 %, модуль Юнга 537,76 ГПа и вязкость разрушения 5,73 МПа × м1/2 были получены в образце, содержащем 5 мас. % нано β-SiC и 1 мас. % графена (5B1G ). Кроме того, сравнивались два метода измерения прочности на изгиб, включая испытания на трехточечный изгиб и испытания на двухосный изгиб (поршень на трех шариках). Образцы в форме полос были подготовлены для испытания на трехточечный изгиб, а образцы в форме диска - для испытания на двухосный изгиб. Каждое испытание на изгиб оценивалось с использованием универсальной испытательной машины. Результаты показали, что прочность на двухосный изгиб меньше, чем прочность на трехточечный изгиб. Также максимальная прочность на трехточечный изгиб 582,01 МПа и двухосный изгиб 441,56 МПа были получены в образцах с 5 мас. % Nano β-SiC и 1 мас. % графена (5B1G). Исследования показали, что помимо многих преимуществ использования метода двухосного изгиба, результаты имеют тенденцию, очень похожую на прочность на трехточечный изгиб. Также наиболее повышенная твердость 28,03 ГПа и 29,97 ГПа наблюдалась у образца, содержащего 5 мас.% нано β-SiC (5В) при усилиях 10 Н и 1 Н соответственно. Одним из эффективных механизмов улучшения вязкости разрушения керамики α-SiC является прогиб/закрытие трещин. Кроме того, разница в термическом расширении матрицы α-SiC и армирования, приводящая к созданию остаточных напряжений между зернами матрицы и армированием, эффективна для улучшения механических свойств (например, прочности и вязкости разрушения).

В настоящее время карбид кремния (SiC) представляет собой широко используемую неоксидную керамику, объем производства которой в мире составляет около 700 000 тонн в год. Благодаря своей сверхвысокой твердости и стойкости к нагреванию и окислению он используется в качестве абразива и сырья для производства таких деталей, как огнеупорные печи и нагревательные элементы1,2,3,4,5,6,7,8,9. SiC имеет две разные кристаллические структуры: β-SiC и α-SiC с более чем 180 политипами. Политип 3C с кубической структурой известен как β-SiC, а другие политипы (гексагональный и ромбоэдрический) известны как α-SiC. 6H, 4H и 2H являются наиболее распространенными политипами α-SiC. При высоких температурах β-SiC (3C) нестабильен и превращается в α-SiC (6H/4H), что приводит к увеличению длины зерна8,10,11. Еще одним важным применением SiC является его использование в качестве силицирующего и науглероживающего агента в металлургии железа и стали. Однако применение SiC из-за его низкой вязкости разрушения и плохого спекания ограничено, в связи с чем в этой области уже проведено множество исследований11,12,13,14,15,16.

Для спекания SiC необходимы добавки и высокие температуры11,17. В зависимости от типа и количества добавки керамику SiC можно уплотнять путем спекания в твердом или жидком состоянии18,19,20,21,22,23,24. Спекание в твердом состоянии обычно требует температуры спекания выше 2100 °C25,26,27. Спекающие добавки достигают высокой плотности за счет уменьшения энергии границ зерен и реакции с оставшимся кремнеземом на поверхности частиц SiC9,11. Напротив, процесс спекания в жидком состоянии, выполняемый при температурах от 1850 до 2000 °C, ухудшает некоторые свойства, такие как вязкость разрушения при высоких температурах28,29,30,31,32,33,34,35,36. В последние годы привлекает внимание использование нанотехнологий для улучшения свойств SiC-керамики. Соответственно, использование наночастиц в качестве армирования по сравнению с микроразмерами привело к более заметным свойствам37,38.