高温氧化对再结晶碳化硅陶瓷断裂强度的影响

踏雪寻梅合唱郭文明等：先驱体浸渍–裂解法制备高密度再结晶碳化硅· 1519 ·第38卷第8期

雷海波，肖汉宁，郭文明，谢文瓶颈效应

(湖南大学材料科学与工程学院，长沙 410082)

摘要：研究了在1500℃空气中的高温氧化对再结晶碳化硅(recrystallized silicon carbide，RSiC)陶瓷断裂强度的影响。用X射线衍射仪、扫描电镜分析了RSiC样品氧化后表面的物相组成及显微结构。结果表明：在1500℃下RSiC陶瓷的氧化质量增加遵循抛物线规律，氧化速率常数为3.77×10–5 g2/(cm4·h1)，其线性相关系数r2为0.998。RSiC陶瓷的室温抗弯强度随氧化时间增加呈现出先升后降的变化趋势，当氧化21h时，材料的室温抗弯强度最高，达到87MPa。氧化初期由于样品表面生成致密的非晶态SiO2，对样品表面的缺陷起到了钝化作用，导致材料室温断裂强度升高；氧化后期由于非晶态SiO2膜的析晶而产生裂纹以及循环氧化导致裂纹扩展，从而使材料的断裂强度降低。

关键词：再结晶碳化硅；高温氧化；断裂强度；机理

中图分类号：TB332 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2010)08–1519–04

EFFECT OF HIGH TEMPERATURE OXIDATION ON THE FRACTURE STRENGTH OF

RECRYSTALLIZED SILICON CARBIDE

LEI Haibo，XIAO Hanning，GUO Wenming，XIE Wen

(College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: The effect of high temperature oxidation at 1500 in air on the fracture strength of recrystallized silicon carbide

℃ (RSiC) was investigated. The phase composition and microstructure of the surface of RSiC sample after oxidation were analyzed by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. It was found that the mass gain of RSiC is a parabolic relationship with oxidation time at 1500. Its oxidation rate constant is 3.77

℃×10–5 g2/(cm4·h1)and the linear correlation coefficient r2 is 0.998. The fracture strength of RSiC increases at first and then decreases with the oxidation time increases. A maximal strength of 87MPa can be obtained after oxidation at 1500 for 21

℃h. The compact amorphous silica is formed on surface of the RSiC at the earlier stage of oxidation causing a passitive action for the recovery of the surface defects, resulting in the increase of fracture

strength. The fracture strength decreases at the later stage of oxidation due to the crystallization of amorphous silica and the formation of cracks on the surface of samples dur-ing oxidation cycles.

Key words: recrystallized silicon carbide; high temperature oxidation; fracture strength; mechanism

再结晶碳化硅(recrystallized silicon carbide，RSiC)陶瓷具有优异的高温强度，以及耐腐蚀、耐烧蚀、耐磨损、抗热震和抗氧化等优点，是能在1600℃空气环境中长期使用的高温结构材料之一，已广泛应用于冶金、化工等耐热、耐磨和使用环境苛刻的场合。然而，SiC陶瓷在高温下的氧化导致材料的使用性能降低，并影响使用寿命。[1]因而国内外学者从未停止对SiC材料氧化问题的研究。

Jia等[2]和Hou等[3–4]研究了SiC粉体的氧化动力学，认为SiC粉体的氧化受O2分子在材料表面氧化层的扩散速率控制，且粒径分布对SiC的氧化有显著影响，并建立了基于粒径分布因素对SiC氧化行为的等温氧化动力学方程。Maeda等[5]和Weiden- mann等[6]研究了SiC在潮湿的空气环境中的氧化行为，认为SiC的氧化仍然遵循扩散控制机理，但是水蒸气的存在加速了氧化反应。魏明坤等[7]研究了渗硅SiC陶瓷经高温氧化后的剩余强度，发现游离硅含量越高，其剩余强度越低。黄清伟等[8]研究

收稿日期：2010–02–06。修改稿收到日期：2010–03–23。基金项目：国家自然科学基金(50972042)资助项目。

第一作者：雷海波(1984—)，男，硕士研究生。

通讯作者：肖汉宁(1961—)，男，博士，教授。Received date:2010–02–06. Approved date: 2010–03–23.

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黄如论中学First author: LEI Haibo (1984–), male, graduate student for master degree. E-mail: hypolei@126

Correspondent author: XIAO Hanning (1961–), male, Ph.D., professor. E-mail: hnxiao@hnu.edu

第38卷第8期2010年8月

硅酸盐学报

JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY

社会化网络Vol. 38，No. 8

非同凡响的爱August，2010

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