BN织构陶瓷的制备与性能研究

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本文以六方氮化硼和莫来石为原料,采用热压烧结工艺制备了具有明显晶粒取向的h-BN基复合陶瓷,并研究了BN原料、晶粒生长、热压压力、莫来石含量以及压片工艺对晶粒取向的影响。利用极图和ODF函数分析了织构的组成、体积含量以及散漫程度,用SEM、TEM手段观察了陶瓷的微观形貌,利用万能试验机、热膨胀仪、导热分析仪、介电仪研究了氮化硼复合陶瓷各向异性的力学、热学和介电性能。研究表明,h-BN晶粒的几何特征极大地影响了晶粒的取向程度,晶体的生长对晶粒的定向排布有着消极影响。烧结压力对晶粒的偏转和定向起到了决定性的作用,烧结压力增大,织构的体积含量变大,散漫度减小。适当提高莫来石含量可以提高材料的取向度。压片工艺则使得晶粒的排布更为均匀一致。通过极图、ODF分析和形貌观察得出,热压烧结得到的h-BN陶瓷基复合陶瓷的(002)晶面趋向于垂直热压方向排列,形成(002)基面纤维织构。在烧结压力为30MPa,烧结温度1900℃,保温时间为1h时,得到的材料的(002)基面织构的体积含量最多,偏离理想取向±15范围内的体积含量达到了72.8%,散布宽度为13.66。对陶瓷的力学性能研究表明,材料出现了明显的各向异性的力学性质。当加载方向平行于BN片层方向时,材料的抗弯强度和断裂韧性很差,仅为21MPa和0.5MPam1/2。而当加载方向垂直于热压方向和BN片层方向时,材料的抗弯强度和断裂韧性较高,对于30%莫来石含量,20MPa热压烧结的BN陶瓷分别达到了113MPa和2.8MPam1/2。当加载方向平行于热压方向时,由于裂纹的偏转扭折,材料的断裂呈现出伪塑性断裂的特征。h-BN陶瓷的热学性能呈现各向异性的特征,h-BN陶瓷在平行于热压方向的热膨胀系数为正,在垂直于热压方向的热膨胀系数为负值。对于20%莫来石含量,20MPa热压烧结的BN陶瓷在1200℃的平均线膨胀系数值分别为7.93×10-6K-1-1.3247×10-6K-1。室温热导率测试表明,30%莫来石含量,20MPa热压烧结的BN陶瓷的表面方向的热导率为15.15W m-1 K-1,侧面方向的热导率为126.81W m-1 K-1,二者相差了8.37倍。对h-BN陶瓷的介电性能研究表明,陶瓷的介电常数与莫来石含量和材料的结构有关。莫来石百分含量增加时,复合陶瓷的介电常数值升高。对于30%莫来石含量,20MPa热压烧结的BN陶瓷,材料表面方向的介电常数大,其介电常数为5.193;材料侧面方向的介电常数较小,相应的介电常数为4.526。
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