SiC/C功能梯度材料的制备

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2001.01.035 第23卷第1期 北京科技大学学报 Vol.23 No.1 2001年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2001 SiC/C功能梯度材料的制备 曹文斌武安华李江涛葛昌纯 北京科技大学特种陶瓷研究室，北京100083 摘要以经典无限大叠层板理论和热弹性力学为基础，通过自行开发的计算机辅助设计系 统对SiC/CFGM中的热应力分布进行了理论分析，得到制备SiC/C的功能梯度材料最佳工艺 参数.采用热压烧结工艺，在1950℃，25Pa和保温1h的条件下制备出了F4和F7两种无宏观 缺陷的块体SiCC功能梯度材料.采用SEM对FGM微观结构进行了观察.500℃室温淬水实验 表明，按最佳参数制备的功能梯度材料F7具有良好的抗热震性能 关键词功能梯度材料；SiC/C热应力缓和 分类号TQ174.75 功能梯度材料(Functionally Graded Mater-1SiC/CFGM的设计 ials,FGM)最初是在1984年由日本学者新野正 之、平井敏雄和渡边龙三根据航天技术发展的 以无限大叠层板理论为基础网，按功能梯度 需要而提出的一种材料新概念.设计和制备 材料逆向设计方法，采用自行开发的辅助设计 FGM的目的是使FGM层间热应力分布达到最 系统，对SiC/CFGM中的热应力进行理论分析. 优，从而得到功能相应于组成和结构的变化而 1.1设计参数 缓变的非均质材料.经过15年的发展，FGM的 SiC/CFGM试样尺寸设计为40mm×6mm, 概念早已超出航天领域，而广泛地运用于其他 纯SiC层，C层厚度均为1mm,SiC/C之间梯度 领域的研究之中.日本学者曾用CVD工艺制备 层厚度为4mm.SiC层与C层之间的温度载荷 出SiC/CFGM,并将其用作第一壁材料，经实验 T=500K.理论设计所用到的SiC,C的物理性 证明，SiC/CFGM是可用作第一壁材料的重要候 能如表1所示.SiC/C之间的梯度层的物理性 选材料之一 能采用复合材料混合法则计算，假设材料的物 但是，采用CVD工艺制备出的SiC/CFGM 理性能各向同性且不随温度变化而改变，无塑 由于SiC梯度涂层太薄，易于被高温等离子体冲 性变形. 刷腐蚀，而不利于聚变堆的长时间稳定运行.因 1,2梯度层层数n对热应力分布的影响 此，有必要制备块体SiC/CFGM.本文基于无限 图1是温度载荷为500K,成分分布因子P= 大叠层板理论，采用逆向设计方法对块体SC/C 0.8时，梯度层层数对FGM中热应力分布的影 FGM层间热应力分布进行理论设计，然后根据 响关系图.从图1中可见，随着梯度层层数n的 设计结果采用热压烧结方法制备块体SiC/C 增加，热应力分布明显趋于平缓.当=3时，最 FGM,并对其显微结构以及热震性能进行初步 大热应力约为n=10层时的3倍.当梯度层层数 评价，解决块体SiC/CFGM的制备问题 增加到7层以后，热应力的分布情况及大小变 表1碳和碳化硅的部分物理性能 Table 1 Some physical properties of C and SiC 组元 p/kg.m a/K- /W.m-K- E/GPa G/GPa 《 2.0×10 4.0×10 200 8.97 3.5 0.25 Sic 3.2×10 4.7×10 62.5 430 182.7 0.19 化很小.考虑到制备FGM时叠层布料的可行性， 收稿日期：200006-29曹文斌男，30岁，博士后 *国家高技术研究发展计划863资助项目(No.863-715-0230) 选择n=7即可

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 、 功能梯度材料的制备 曹文斌 武安华 李江涛 葛昌纯 北京科技大学特种陶瓷研究室 ， 北京 摘 要 以经典无限大叠层板理论和 热弹性力 学为 基础 ， 通过 自行开发 的计算机辅助设计系 统对 中的热应力分布进行 了理论分析 ， 得到制备 的功能梯度材料最佳工艺 参数 采用热压烧结工艺 ， 在 ℃ ， 和保温 的条件下制备出 了 和 两种无宏观 缺陷的块体 功能梯度材料 采用 对 微观结构进行 了观察 ℃ 室 温淬水实验 表 明 ， 按最佳参数制备的功能梯度材料 具有 良好 的抗热震性能 关键词 功 能梯度材料 热应力缓和 分 类号 功 能 梯 度 材 料 ， 最初是在 年 由 日本学者新野正 之 、 平井敏雄 和 渡边龙三根据航天 技术发展 的 需要 而提 出的一 种 材料新概念 〔 设计 和 制备 的 目的是使 层 间热应力分布达到最 优 ， 从而得到功能相 应 于组成和 结构 的变化而 缓变 的非 均质材料 经过 年 的发展 ， 的 概念早 已 超 出航天领域 ， 而广泛地运用 于其他 领域 的研究之 中 日本学者 曾用 工艺制备 出 ， 并将其用 作第一壁材料 ， 经实验 证明 ， 是可用作第一壁材料 的重要候 选材料之一 但是 ， 采用 工 艺制备 出 的 由于 梯度涂层太薄 ， 易于被高温 等离子体冲 刷腐蚀 ， 而不利 于 聚变堆 的长 时间稳定运行 因 此 ， 有必要制备块体 本文基于无 限 大叠层板理论 ， 采用 逆 向设计方法对块体 层 间热应力 分布进行理论设计 ， 然后根据 设 计 结 果 采 用 热 压 烧 结 方 法 制 备 块 体 ， 并对其显微结构 以及热震性能进行初 步 评价 ， 解决块体 的制备 问题 的设计 以无 限大叠层板理论为基础【 ，， 按功能梯度 材料逆 向设计方法 ， 采用 自行开发 的辅助设计 系统 ， 对 中的热应力进行理论分析 设计参数 试样 尺寸设计为科 ， 纯 层 ， 层厚度 均 为 ， 之间梯度 层厚度 为 层 与 层之 间的温度载荷 理论设计所用 到 的 ， 的物理性 能如 表 所示 之 间 的梯度层 的物理性 能采用 复合材料混合法则计算 假设材料 的物 理性能各 向同性且不 随温度变化而 改变 ， 无塑 性 变形 梯度层层数 对热应力分布的影响 图 是温度载荷为 ， 成分分布 因子尸 二 时 ， 梯度层层数对 中热应力分布的影 响关系 图 从 图 中可见 ， 随着梯度层层数 的 增加 ， 热应力 分布 明显趋于平缓 当 时 ， 最 大热应力 约 为 层 时 的 倍 当梯度层层数 增 加到 层 以 后 ， 热应 力 的分布情况及大小变 表 碳和碳化 硅的部分物理性能 币 组元 吨 · 一， 服 一 ， 又 · 一 ， 一 ， 刀 佑 石 收稿 日期 城】乐 曹文斌 男 ， 岁 ， 博士后 国家高技术研究发展计划 资助项 目 一 · 化很小 考虑到制备 时叠层布料 的可行性 ， 选择 即可 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．01．035

VoL23 No.1 曹文斌等：SiCC功能梯度材料的制备 33 13成分分布因子P对热应力分布的影响 的增加，FGM中最大压应力和张应力的大小明 图2是在温度载荷为500K、梯度层层数n 显降低，表明梯度层层数增加后，成份梯度变化 =10时，不同成分分布因子P对FGM中热应力 减小，层间热应力得到缓和.综上，选择p=08, 分布的影响.从图2中可看出，随着成分分布因 n=4和n=7进行SiC/CFGM制备. 子P的增大，最大热应力逐渐增大，并趋于集中， 这与P增大后，梯度层中成分变化增快有关系. 2SiC/CFGM的热压烧结 考虑到制备出的SiC/CFGM的强度（与C含量 21准备生坯 相关)，在制备时，可以选择p<1进行 图4(a),(b)分别是n=4(F4)和n=7(F7)层 图3是FGM中最大热应力与梯度层层数 FGM的成份分布和各层厚度.根据上述设计， 的关系图.从图3中可以看出，随着梯度层层数 分别计算各梯度层所需粉料的重量，采用手工 P=0.8 叠层布料准备FGM生坯. 400 △T=500K 200 1.0(a)P=8n=4 -n=3 0.8 0 一n=5 0.6 一n▣7 -200 nu9 0.4 ◆-n=10 0.2 400 -3 -2 -1 0 1 23 0.0 d/mm 1.0 (b)P=8n=7 图1梯度层层数n对热应力分布的影响.d为距离 Fig.1 Effect of the number of FGM layers on thermal 0.8 stress distribution. 0.6 0.4 200 0.2 100 0.0 0 -3-2-1012 -P=0.4-P=0.6 d/mm -100 P=0.8-P=1.0 -P=12o-P=1.4 图4SiC/CFGM的成分分布和各层厚度 200 o-P=1.6。-P=1.8 Fig.4 Composition distribution of C in SiC/C FGMs n=10△T=500K -300 -3 -2 -1 0 1 2 3 2.2烧结方法 d/mm 根据对固相烧结的研究结果，按照25MPa 图2成分分布因子P对FGM中热应力分布的影响 单轴压力，1950℃和保温1h的烧结工艺制度对 Fig.2 Effect of composition factor on thermal stress dis- 2种SiC/CFGM进行热压烧结. tribution 450 P=0.8△T=500K 0. 0 3 实验结果 -220 400 350 -0 热压烧结实验结果证明，成功地制备了上 压应力 -270 300 述2种无宏观缺陷的块体SiC/CFGM. 250 热应力 edWo -320 3.1SiC/CFGM微观结构观察 200 图5是SiC/CFGM的微观结构图.图5(a) 150L -370 是F4的微观结构图；图5(b)是F7的微观结构 7 9 d/mm 图.图5（©）是F7的元素Si的线扫描图.从图中 图3FGM中最大热应力随梯度层层数n变化的情况 可见SC呈梯度变化，界面结合清晰，没有微观 Fig.3 Relationship between maximum thermal stress and 裂纹.C含量较高的层，C明显地表现出定向排 number of FGM layers 列平行于层面，这与定向加压有关.此外，随着

曹文斌 等 功能梯度材料 的制备 成分分布因子只对热应力分布的影响 图 是在温度 载荷为 、 梯度层层数 时 ， 不 同成分分布因子 尸 对 中热应力 分布的影 响 从 图 中可看 出 ， 随着成分分布 因 子尸的增大 ， 最大热应力逐渐增大 ， 并趋于集 中 ， 这与尸增大后 ， 梯 度层 中成分变化增快有关系 考虑到制备 出 的 的强度 与 含量 相关 ， 在制备 时 ， 可 以 选择夕 进行 图 是 中最大热应力 与梯度层层数 的关系图 从 图 中可 以看 出 ， 随着梯度层层数 的增加 ， 中最大压应力 和 张应力 的大小 明 显降低 ， 表 明梯度层层数增加后 ， 成份梯度变化 减小 ， 层 间热应力得 到缓和 综上 ， 选择夕二 ， 和 进行 制备 的热压烧结 准备生坯 图 ， 分别是 伊 和 层 的成份分布和 各层厚度 根据上述设计 ， 分别计算各梯度层所需粉料 的重量 ， 采用 手工 叠层 布料准备 生坯 尸 、岁岁 ︸︸﹃ 砚 ‘己苦鲁 碑 二 、 一 一 一 一 一 一 留 图 梯度层 层 数 对热应 力分布的影响 为 距离 肠 皿 恤 ，扮韶 伪 尸二 。 、求，。 一 一 一 叨 图 的成分分布和各层 厚度 恤 ”八 ︸︵ 屯只 芝璐 、 刁 匕 一 图 成分分布 因 子尸对 叨泊 中热应 力分布 的影响 馆 月免 · 烧结方法 根据对 固相烧结 的研究结果 ， 按照 单轴压力 ， ℃ 和保温 的烧结工艺制度对 种 进行热压烧结 璐 白 息 几了 刀 一。 毛 一 一 实验结果 热压烧结实验结果证 明 ， 成功地制备 了上 种无宏观缺陷的块体 微观结构观察 图 是 的微观结构 图 图 述 门且 蓬山若 一 留 图 中最大 热应 力 随梯 度层层 数 变化 的情况 加 吧幻陀 心 是 的 微观结构 图 图 是 的微观结构 图 图 是 的元素 的线扫描 图 从 图中 可见 呈梯度变化 ， 界面结合清晰 ， 没有微观 裂纹 含量较高的层 ， 明显地表现 出定 向排 列 平行于层面 ， 这与定 向加压有关 此外 ， 随着 ︸几︸，‘ ︸工︸气哎工︸

·34· 北京科技大学学报 2001年第1期 图5SIC/CFGM的撒观结构.()FGM F4的激观结构：b)FGM7的搬观结构；：(c)FGMT中元素S1的线扫描图 Fig.5 Morphology of SIC/C FGM C含量的增加，组织随之粗大，可能是C促进了 (3)采用热压烧结工艺，在1950℃、25MPa SiC颗粒的生长. 和保温1h的条件下成功制备出了F4、F7两种 3.2热猴实验 无宏观缺陷的块体SiC/CFGM 将F4,F7分别加热至500℃，在室温水中进 (4)500℃室温淬水实验表明，按最佳参数制 行循环淬水实验.样品F4经过32次循环淬水 备的FGMF7具有良好的抗热震性能. 后开裂，样品F7经过S2次循环淬水后还未开 参考文献 裂.淬水实验证明，F7具有良好的热履性能，并 1新野正之，平井敏雄，渡边龙三，等.倾斜机能材料 与材料设计所提出的最优设计参数相吻合， 一宇宙机用粗耐热材料.机能材料，1987,3(6：257 4结论 2刘桂新，金宗哲，王延籍，等.CVD SiC-C梯度涂层 中的残余应力及应力缓和.材料科学进展，1991,5(6)： (I)以经典无限大叠层板理论和热弹性力学 498 为基础，通过自行开发的计算机辅助设计系 3新野正之.倾斜机能材料的设计.机能材料，1987,7 统对SiC/CFGM中的热应力分布进行了理论 (10吵31 4正朝履.TB:腐瓷及TB,Qu梯度功能材料的自蔓延 分析. 高温合成：[博士论文].北京：北京科技大学，1995 (2)得到了制备SiC/CFGM的最佳工艺参 5曹文斌，葛昌纯，在朝厦等.一维热应力缓和型功能 数：梯度层厚度为4mm时，成分分布因子p= 梯度材料的计算机辅助设计系统。北京科技大学学 0.8,梯度层层数n>7层. 报，1998.20(1：57 Fabrication of SiC/C Functionally Graded Material CAO Wenbin,WU Anhua,LI Jiangtao,GE Changchun Laboralory of Special Ceramics and P/M.UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The thermal stress in SiC/C FGM in steady temperature field was analyzed based on the clas- sical lamination theory and thermo-elastic mechanics.The optimum composition distribution parameters for fabricating SiC/C FGM were obtained through the above analysis.SiC/C FGM F4 and F7 were fabricated suc- cessfully by hot pressing.The microstructure was observed by SEM.Thermal shock resistance of SiC/C FGM was repeatedly tested by quenching from 500 C into water with room temperature.It has been proved that FGM F7,which was fabricated with the optimized parameters,has better thermal shock resistance. KEY WORDS SiC/C;functionally graded material;thermal stress relaxation