D0I:10.13374/j.issn1001053x.2000.02.020 第22卷第2期 北京科技大学学报 Vol.22 No.2 2000年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing APr.2000 S型B,C-SiC/C功能梯度材料的设计和制备 沈卫平吴波中李江涛 葛昌纯 北京科技大学材料工程与科学学院特陶研究室，北京100083 摘要对(1-x)(80%B,C-20%SiC)xC(体积分数)功能梯度材料的x=0.2,0.4,0.6,0.8的各层 分别在2000℃，20MPa进行了热压，测定了各层的密度，线膨胀系数，弹性模量和抗弯强度等. 按线性成分分布函数的6层和11层梯度材料热压后都出现了裂纹.采用了不同于幂函数的S 型成分分布函数设计，热压了11层(x=0.2~1.0)的功能梯度材料，其抗弯强度为216MPa,抗热震 性>500℃. 关键词功能梯度材料：S型成分分布函数：B,C:SiC:C 分类号V257 B,C是一种典型的共价键化合物，BC晶格 1实验方法 中的强极性共价键特性使得B:C用传统的烧结 方法致密化非常困难，但通过热压和加入活化 表1为实验所用原料 添加剂可以烧结成致密化的B,C 表1粉末特性 B.C加入20%SiC(体积分数)，在2150℃热 Table 1 Characteristics of powders 压30min,可获得抗弯强度750MPa,断裂韧性 粉末原料 纯度% 粒度 BC >90 Kic5.92 MPa.m 20μm Si >90 -200目 C是B,C重要的烧结添加剂，加入酚醛树 C >98.5 -100目 脂（相当于1%~3%C(质量分数）)到亚微米B,C 粉末中，在2150℃下无压烧结，可获得其密度 配成(1-x)(80%B.C-20%SiC)/xC(体积分 >98%的B,C. 数)-0.2,0.4,0.6,0.8,1)的6种原料，做单层样 用亚微米B.C粉末，加9%~10%SiC,1%一3% 品.在尼龙罐，用硬质合金球搅拌，加乙醇，混料 C(质量分数)在2000-2100℃无压烧结，其密度 1h.梯度样品按成分设计在模具中铺料. 可达到97%99.7%. 在Ar气中，先加5MPa的压力，在Si的熔 对70%C-19%B.C-11%SiC(体积分数)的碳/ 点附近样品收缩时保温以生成B一SiC;当收缩 陶材料，在2000℃，25MPa热压，用石油焦作原 结束时，再升温到-2000℃，压力-20MPa.热压、 料比鳞片石墨得到的B,C密度高，各向同性好. 平磨和抛光后样品直径40mm,厚度约5mm. 加入阝-SiC与加入-SiC相比，密度、强度均有 用排水法测定了样品的显气孔率、吸水率、 所提高，电阻率下降，断裂韧性提高20%左右. 密度和相对密度；用3点弯曲测定了抗弯强度 用设计功能梯度材料的方法，可把耐等离 和弹性模量：在大气中测定了线膨胀系数， 子冲刷的组分面向等离子体，热导率高的组分 S型11层B,C-20%SiC/C(体积分数)的梯度 面向冷却介质，通过成分梯度缓和热应力，以提 材料热压后陶瓷层向下测定了抗弯强度.另外， 高材料的耐热冲击性. 在500℃保温0.5h后淬水，再测定其抗弯强度， B,C-SiC/C梯度材料中，B,C-SiC一侧的弹 以考察抗热震性， 性模量较大，若热应力大于其强度，就会造成表 面开裂，因石墨的强度较低，石墨一侧也应作缓 2实验结果分析与讨论 和热应力的设计.为此本文设计了两端都缓和 2.1显气孔率、吸水率、密度和相对密度 热应力的S型成分分布函数， 碳的体积分数(/%)对显气孔率、吸水率、 1999-12-18收稿沈卫平男48岁，高级工程师 密度和相对密度的影响分别见图1~图4. *国家“863"基金资助项目(No.863-715-0230)
第 22 卷 第 2 期 2 0 00 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e sr iyt o f s e i e n e e a n d l ’e c h n o l o gy B e ij i n g V心1 . 2 2 N o . 2 A P .r 2 0 0 0 S 型 B 4 C 一 SI C /C 功 能梯度材料 的设计和制备 沈卫 平 吴波中 李江涛 葛昌纯 北京科技 大学材料工程与科学学 院特陶研究室 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 对 ( 1 一x) (80 % B 4 C佗0% S I )C x/ (C 体积 分数 ) 功能梯 度材 料 的 x = 0 . 2 , .0 4 , .0 6 , .0 8 的各 层 分别 在 2 0 0 0℃ , 20 M aP 进 行 了热压 , 测定 了各层 的密 度 , 线 膨胀 系数 , 弹性 模量和 抗 弯强度 等 . 按线 性成 分 分布 函数 的 6 层和 1 层梯 度材 料热 压后 都 出现 了裂 纹 . 采 用 了不 同于幂 函数 的 S 型成 分分 布 函数设 计 , 热压 了 n 层 (x = .0 2一 1 . 0) 的功 能梯度材 料 , 其抗 弯强度 为 Z 16 M aP , 抗热 震 性 > 5 0 0℃ . 关键 词 功 能 梯度 材料 ; S 型成 分 分布 函数 : B 4 C ; S CI : C 分类号 V 25 7 B 4 C 是 一 种典 型 的共价 键化合物 , B 4 C 晶格 中的强 极性 共价键特 性使得 B 4 C 用 传统 的 烧结 方 法致密化 非常 困 难 , 但 通过热 压和 加入 活化 添 加剂可 以烧 结成 致密化 的 B 4 C[ ” . B 4 C 加入 2 0% S IC ( 体 积分数 ) , 在 2 1 5 0℃ 热 压 3 0 m in , 可 获得抗 弯强 度 7 50 M Pa , 断裂 韧性 凡 e s · 9 2 M Pa · m ` 2/ [ , ] . C 是 B 4 C 重要 的烧 结添 加剂 , 加入酚 醛树 脂 ( 相 当于 1% 一 3% C ( 质 量分数 ) ) 到亚微米 B 4 C 粉末 中 , 在 2 1 5 0℃ 下 无压烧 结 , 可 获得其密 度 > 9 8% 的 B 4 C 「, , . 用 亚 微米 B 4 C 粉 末 , 加 9% 一 10 % S IC , l% 一 3% C ( 质量分数 ) 在 2 0 0 0一 2 10 ℃ 无 压烧 结 , 其密度 可 达 到 97 % 一9 9 . 7% 4[] . 对 7 0% C 一 1 9% B 4 C 一 1 1% S I C (体积分数 ) 的碳 / 陶材料 , 在 2 0 0 ℃ , 25 M P a 热压 , 用石 油焦作原 料 比鳞 片石墨得 到的 B 4 C 密度 高 , 各 向同性好 . 加入卜s iC 与加 入 -a S IC 相 L匕 , 密 度 、 强 度均有 所提高 , 电阻 率下 降 , 断裂韧性提高 20 % 左 右 〔5] . 用 设计 功能 梯度 材料 的 方法 , 可把 耐等离 子 冲刷 的组分面 向等离子 体 , 热导率 高的组 分 面 向冷却 介质 , 通过成 分梯度缓和 热应力 , 以提 高材料 的耐热冲 击性 〔6〕 . B 4 C 一 S IC /C 梯度 材料 中 , B 4 C 一 S IC 一 侧 的 弹 性模量较大 , 若热应 力大于 其强度 , 就会造成表 面开 裂 . 因石墨 的强 度较低 , 石墨 一 侧也 应作缓 和 热 应力 的设计 . 为此本 文 设计 了 两端都 缓和 热 应 力 的 S 型成 分分布 函 数 . 19 9 一 12 一 18 收 稿 沈卫 平 男 48 岁 , 高级 工程 师 * 国家 ’, 8 6 3 , , 基 金 资助 项 目 ( N o . 8 6 3 一 7 1 5 一 0 2 3 0 ) 1 实验方法 表 1 为实验 所用 原料 . 表 1 粉末特性 aT bl e 1 C h a r a e t e r i s t i e s o f P o w d e r s 粉末原料 B 4 C 纯度 % > 90 > 90 > 9 8 . 5 粒度 20 林111 一 2 0 0 目 一 10 0 目 配 成 ( l 一x ) ( 8 0 % B 4 C屯0 % S IC ) x/ C ( 体积 分 数 ) (厂0 . 2 , 0 . 4 , 0 . 6 , 0 . 8 , 1) 的 6 种 原料 , 做单层样 品 . 在尼 龙罐 , 用硬质合金球搅拌 , 加 乙 醇 , 混料 l h . 梯 度样 品 按成分设计在 模具 中铺料 . 在 A r 气 中 , 先 加 S M aP 的压力 , 在 is 的熔 点 附近 样 品 收缩 时保温 以 生 成 p一is ;C 当 收缩 结束时 , 再升温 到一 2 0 0 ℃ , 压力一20 M P a . 热压 、 平磨和 抛光 后样 品 直径 40 ~ , 厚度约 s m m . 用排水法测 定 了 样品 的显气孔率 、 吸 水率 、 密度和 相 对密 度 ; 用 3 点 弯 曲测定 了抗弯 强 度 和 弹性模 量 ; 在大气 中测定 了线 膨胀系数 . S 型 1 1 层 B ; C 一 2 0% S IC C/ ( 体积分数 ) 的 梯度 材料热压后 陶瓷 层 向下 测 定 了抗弯 强度 . 另外 , 在 50 0 ℃ 保温 .0 5 h 后 淬水 , 再 测 定 其抗弯强 度 , 以考察抗 热震性 . 2 实验结果分析与讨论 2 . 1 显气孔率 、 吸水率 、 密度和 相对密度 碳 的体积分 数( p 。 / % )对显气孔 率 、 吸水 率 、 密度 和 相 对 密度 的影 响分 别见 图 l 一 图 4 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 02. 020
2000年第2期 沈卫平等：S型B,C-SiC/C功能梯度材料的设计和制备 ·167· 10 6 8 4 6 FGM 4 FGM 2 0 0 20 40 60 80100 0 20 4060 80100 单./% p.1/% 图1对显气孔率的影响 图2”对吸水率的影响 Fig.1 The effect of on open porosity Fig.2 The effeet of on water adsorption 3 100 FGM FGM 80+ 40 0 20 40 60 80 100 0 20 4060 80100 p.1% 9./% 图3p对密度的影响 图4对相对密度的影响 Fig.3 The effect of on volume density Fig.4 The effect of on relative density 实验结果表明，在~2000℃下，-20MPa热 的抗弯强度为283.9MPa,p。为60%层的抗弯强 压，p。=20%~60%的样品能很好的致密化，p。为 度为226.2MPa,而黄启忠等制得的组成为70% 20%的样品密度达到了极限值.p。为0%的样品 C-19%B.C-11%SiC(体积分数)的材料抗弯强度 密度较低，并出现了边缘层裂.原因可能是热压 为209.2MPa”.0%和80%C层由于致密度不够， 温度低了，而没有多余的C作助烧剂的B,C在 抗弯强度较低(146.7和116.8MPa.图6表明，随 这样的温度是很难致密化的 着C含量的增加B,C-SiC-C材料的弹性模量很 由于0。为20%层的吸水率很小(0.03%)，其 快减小，p.为40%层的弹性模量也仅为218GPa. 吸放气率也应较小，可达到核装置第一壁材料 而文献中B,C的弹性模量为455GPa,SiC的弹 的要求. 性模量为485GPa, 2.2抗弯强度和弹性模量 2.3线膨胀系数 实验结果表明，随着C含量的升高，B,C-SiC 随着C含量升高，B,C-SiC-C材料的膨胀系 C材料的抗弯强度逐渐下降（图5）.p。为40%层 数逐渐减小，但p。为100%层用的是现成的高纯 300 250 250 200 200 150 150 100 国 100 50 50 .0 0 0 20 40 60 80 20 40 60 80 100 p./% p./% 图59。对抗弯强度的影响 图6，对弹性模量的影响 Fig.5 The effect of o.on flrxural strength Fig.6 The effect of on elastic modulus
2 0 0 0 年 第 2 期 沈 卫平 等 : S 型 B 4 C 一 si C /C 功 能梯 度材 料 的设 计和制 备 . 16 7 - \ _ _ _ . _ _ / F G M 内, ù山, 岁、芝 芝哥曰际犷叫 0 2 0 4 0 6 0 80 1 0 0 职 。 /% 图 1 叭 对显气孔率的影响 F ig . 1 T h e e月沁e t o f 尹 。 o n o P e n P o or s i yt 犷卜l l . IL卜l 8060 卜全… O 匕一 ~ 八 卜- 一一呻~ 一一- 心` 二二` ` 一一一曰 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 梦 。 / % 图 2 叭 对吸水率的影响 · F i g · 2 T h e e fe c t o f 职 。 o n w a t e r a d s o r P t i o n 10 0 户一 一一芬令一一~ 翎二二二二丁一一一一一 - 一 - 一 , F G M 窦 飞 一, 日 · \切d 0 2 0 4 0 6 0 80 1 0 0 势 。 /% 图 3 叭对密度的影响 F ig · 3 T h e e fe c t o f 沪 。 o n v o l u m e d e n s i yt 实验结 果表 明 , 在一2 0 0 0 ℃ 下 , 一Z O M P a 热 压 , 沪 。 = 2 0% 一 6 0% 的样 品 能很好 的致 密化 , 势 。 为 20 % 的样 品 密 度达 到 了 极 限 值 . 沪 。 为 O% 的样 品 密度较 低 , 并 出现 了 边缘层裂 . 原 因 可能是热压 温度低 了 , 而没 有多余 的 C 作助烧 剂 的 B 4 C 在 这样 的温度 是 很难致 密 化 的 【, 〕 . 由于 沪 。 为 2 0% 层 的吸 水率 很 小 (0 . 03 % ) , 其 吸 放 气率也应 较小 , 可达 到核装置 第 一 壁材料 的要 求 . .2 2 抗弯强度和弹性模量 实验结 果 表 明 , 随着 C 含量 的升高 , B 4 C 一 SI C - C 材料 的抗弯 强度 逐渐下 降 ( 图 5) . p 。 为 40 % 层 4 0 { . : 二 } 0 2 0 4 0 6 0 80 10 0 p 。 / % 图 4 叭对相对密度的影响 F i g . 4 T h e e fe e t o f 职 。 o n er l a t iv e d e n s iyt 的抗 弯强度 为 2 83 . 9 M P a , 沪 。 为 60 % 层 的抗弯强 度 为 2 2 .6 2 M Pa , 而黄 启忠等制得 的组 成为 70 % c 一 19 % B 4 c 一 1 1% is C ( 体积 分数 ) 的材料抗 弯强 度 为 2 0 9 . 2 M P a `,」 . 0 % 和 5 0% C 层 由于 致密 度不 够 , 抗 弯强度较 低 ( 14 6 . 7 和 1 16 . S M p a . 图 6 表 明 , 随 着 C 含量 的增 加 B 4 C 一 SI C 一 C 材料 的弹性 模量很 快减 小 , 势 。 为 40 % 层 的弹性模 量也 仅 为 21 8 G aP . 而 文献 中 B 4 C 的 弹性模量 为 4 5 G Pa , SI C 的弹 性 模量 为 4 8 5 G p a 〔吕〕 . 2 . 3 线膨胀系 数 随 着 C 含 量升 高 , B 4 C 一 is C 一 C 材料 的膨胀系 数 逐渐减 小 , 但沪 。 为 10 % 层用 的是现 成 的高纯 八U0 ù、 ù 0 .、`J 一, 山, , 人. 1 1 d口、闰招 n ùnU八“ on0 ù n ō f à n 伟j`一, , 1 奋以à气nU气 , .1 l d. 连日 0 2 0 4 0 6 0 8 0 势 。 / % 图 5 沪 。 对抗 弯 强度 的影 响 F i g · 5 T h e e fe e t o f 势 。 o n fl r x u r a l s t er n g t h 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 尹 。 / % 图 6 沪 。 对弹 性模 量 的影响 F i g · 6 T h e e fe e t o f 沪 。 o n e l a s t i e m o d u l u s
-168 北京科技大学学·报 Vol.22 No.2 高密高强石墨，测出来的膨胀系数比80%C层的 面都有龟背状裂纹.6层的还有层间裂纹， 大 由图9可知，在样品冷却时，表面受到张应 2.4梯度材料开裂的原因分析与S型成分分布函 力，容易引起开裂.B,C-SiC层开裂的原因是B,C- 数设计 SC层线膨胀系数大（图8），在烧结过程中受张 当成分分布曲线为直线（幂=1）时，6层或 应力，而且B,C-SiC一端的弹性模量也大得多 11层(80%B.C-20%SiC)/x%C(体积分数)(=0.2， (图6)，所以应该减缓B,C-SiC端的成分变化.C 0.4,,1或=0.1,0.2，…，1)梯度材料热压后2个表 层强度低（图5），C端成分变化也要缓和.两端 8 6 B.C-20%SiC -*一20%C 6 -a一40%C e 0 3 550℃ 2 --60%C 。80%C -·-100%C 0 0 200 400 600 800 0 20 4060 80100 t/℃ p./% 图7温度对平均线膨胀系数的影响 图8550℃平均线膨胀系数随0：的变化 Fig.7 The effect of temperature on linear expansivity Fig.8 The effect of on linear expansivity at 550 C te 压 压 7. 拉 ↓ te 表面加热 表面冷却 图9样品冷却或加热时的应力状态(1。一中心温度；1，一表面温度；1.一平均温度) Fig.9 The surface stress of sample with heating or cooling 成分都缓和，成分分布曲线为S型（式1，图10）. 20%时，11层的成分分布曲线如图10所示 造成层间裂纹的原因是梯度层太少，成分 100 分布梯度太大.层间裂纹在60%C层和80%C层 80 之间，这是因为这2层间线膨胀系数落差较大 S-Type (n) (图8)，冷却过程中产生了较大的热应力.因此 60 应该增加梯度层数，以减缓60%C层和80%C层 40 间的成分变化 p.=(x/d2 S型的成分分布函数如式(1)： 20 p=(2x/6 2 青=0,0.5 0 0 0.2 0.40.6 0.81.0 [2x1-芳 (>0)(1) x16 p=1-2 方-0.5，，1 图10第1层为p.=20%的11层S型(=2)成分分布曲线 式中：p为其中一个相的体积分数：x为离表面的 Fig.10 S-type compositional distribution funetion of 11 layers FGMs of first layer 9.=20% 相对距离；6为FGM样品的厚度：n是指数，它是 梯度变化特征的一个参数.当n=2,第1层p.为 S型11层B,C-20%SiC/C(体积分数)梯度材 料热压后无裂纹，一个试条抗弯强度为189
一 1 6 8 - 北 京 科 技 大 学 学 报 V心1 . 2 2 N 0 . 2 高密高强 石墨 , 测 出 来的膨 胀系数 比 80 % C 层 的 大 . .2 4 梯度材料开 裂的原 因分析与 S 型成分 分布函 数设计 当 成分分 布 曲线为直线 ( 幂 n 二 1) 时 , 6 层 或 1 1 层 ( 8 0 % B 4 C 一 2 0% S IC ) x/ % C ( 体积 分数 ) (厂 0 . 2 , .0 4 , … , 1 或= 0 . 1 , .0 2 , … , l) 梯度材 料热压后 2 个 表 面都有龟 背状裂 纹 . 6 层 的还有层 间 裂纹 . 由 图 9 可 知 , 在样 品 冷却 时 , 表 面受到 张 应 力 , 容易引起开裂 . B 4 C 一 is C 层开 裂的原 因是 B 4 C - S IC 层 线膨胀系 数大 ( 图 8) , 在烧 结过程 中受张 应力 , 而 且 B 4 C 一 is C 一端 的弹性模 量也 大得 多 ( 图 6 ) , 所 以应该减缓 B 4 C 一 is C 端 的成 分变化 . C 层 强 度低 ( 图 5) , C 端成分变 化也 要 缓和 . 两 端 B 4 C 一 2 0% SIC 一 一\ J 斗气j, 了 `, 1 一1 甲一9O x \仍ù 月斗 异,一O x \名 6 0% C 8 0% C 一 今 一 , 10 0% C 0 2 00 4 0 0 t / ℃ 图 7 温 度 对平 均线 膨胀 系 数 的影 响 F ig · 7 T h e e fe e t o f t e m P e r a t u r e o n l i n e a r e x P a n s iv i t y O L - - - - - -- - - J - -一 一— - 匕- - - - 一一 ~ 一一 — ~ 二一一一一一一一二 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 切 。 / % 图 8 5 5 0 ℃ 平均 线膨 胀系数 随职 。 的变化 F i g · 8 T h e e fe e t o f 职 。 o n li n e a r e x P a n s i v i ty a t 5 5 0 ℃ \ / \ / \ 、 、 ` / 压 t 拉 4 / \ / \ 牛 势 表 面加 热 表面 冷却 图 9 样 品 冷却 或 加热 时 的应 力状 态 (t 。一 中心温 度; t 一表 面温 度 ; t 。一平 均温度 ) F ig · 9 T h e s u r af e e s t r e s s o f s a m P l e w i t h h e a t i n g o r e o o li n g 成分 都缓和 , 成 分分布 曲 线为 S 型 (式 1 , 图 1 0) . 造成 层 间裂 纹 的原因 是 梯 度层太 少 , 成 分 分布梯度 太大 . 层 间裂纹在 60 % C 层 和 80 % C 层 之 间 , 这 是 因为 这 2 层 间 线膨胀 系数落差 较 大 (图 8) , 冷却 过程 中产 生 了较 大 的热 应力 . 因 此 应 该 增加 梯度层 数 , 以减 缓 60 % C 层 和 80 % C 层 间的成分变化 . S 型 的成分分布 函 数如式 ( 1 ) : 2 0 % 时 , n 层 的成 分分布 曲线 如图 10 所示 . 204608 0 岁\ , 冬 , _ (Z x /占) n W 一 一一只 - ` 一 孕= 0 . . … 0 . 5 口 少叮 厂2 又 ( l 一 兽) O ( n > 0 ) ( 1) 沪= l 一 一 一丁 - — 毛= 0 . 5 . . … 1 0 式 中 : 尹为其 中一 个相 的 体积分数 ; x 为离表面 的 相 对距 离 ; 咨为 F G M 样 品 的厚度 ; n 是 指数 , 它是 梯度变 化特征 的一个参 数 . 当 n = 2 , 第 1 层沪 。 为 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 x 总 图 1 0 第 1 层 为 p 。 = 20 % 的 n 层 S 型 ( n = 2) 成分分布 曲线 F ig · 1 0 5 一 yt P e e o m P o s i t i o n a l di s t r i b u t i o n fu n c ti o n o f 1 1 l a y e r s F G M s o f if r s t l a y e r p 。 = 2 0 0/ S 型 1 1 层 B 4 C 一 2 0 % S IC /C ( 体积 分数 ) 梯度材 料 热压 后 无 裂纹 , 一 个 试 条抗 弯 强 度 为 18 9
2000年第2期 沈卫平等：S型B,C-SiC/C功能梯度材料的设计和制备 ·169。 MPa:另一个试条500℃保温0.5h后淬水，抗弯 设计成S型的成分分布函数 强度为216MPa,因此，抗热震性4e>500℃. S型11层的梯度材料热压后无裂纹，抗弯 强度为189MPa:抗热震性4r.>500℃. 3结论 参考文献 在2000'℃，20MPa热压，(80%B,C-20%SiC)1 Radev D D.Sintering of Boron Carbide-Based Materials.. -xC(体积分数)(x=0.2,0.4,0.6,0.8)的样品能够致 Metall,1991,51(11):630 密化，相对密度分别为-100%，98.8%和97.4%.p。 2 Niihara,Koichi.Sintered Composite Boron Carbide Body 分别为40%，60%，80%C的样品抗弯强度分别为 and Production Process.EP 0494390 Al,1992-07-15 254.6,208.2和116.8MPa. 3 Schwetz K A,Grellner W.The Influence of Carbon on the Microstructure and Mechanical Properties of Sintered 随着的提高，样品的线膨胀系数逐渐减 Boron Carbide.J Less Common Met,1981,82:37 小，但纯石墨层的线膨胀系数大于为80%层 4 Schwetz K A,Reinmuth K,Lipp A.Polykristalline,Poren- 的.随着的提高，样品的弹性模量大幅度减小. freie Sinterkorper aus Alpha-SiC,Borcarbide und Kohlen- 成分呈线性变化的6层和11层梯度材料热 stoff,Herstellung und Eigenschaften.Sprechsaal,1983, 压后陶瓷端表面龟裂，6层的梯度材料还有边缘 116(12):1063 层裂. 5黄启忠，杨巧勤，黄伯云，吕海波.原料种类对C-B,C SiC复合材料性能的影响.中南工业大学学报，1995,26 B,C-20%SiC/C(体积分数)功能梯度材料的 (2):223 两端都是脆性材料，与陶瓷/金属的梯度材料不 6许杨健，赵志岗，涂代惠梯度功能材料热弹性应力的 同，其B,C-SiC端弹性模量高，C端强度低，所以 研究进展.材料导报，1998,12(1)：10 两端都要缓和热应力.在幂函数的基础上，可以 Design and Fabrication of S-Type B,C-SiC/C Functionally Graded Materials SHEN Weiping,WU Bozhong. LI Jiangtao,GE Changchun Laboratory of Special Ceramics&P/M,Materials Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The x-0.2,0.4,0.6,80 layers of (1-x)(80%B4C-20%SiC)/x C (volume fraction)Functionally Graded Materials were hot-pressed respectively.The density,linear thermal expansion,elastic modulus and flexural strength were tested.There are crackles in FGMs of 6 and 11 layers that are designed by linear func- tion.The S-type function of compositional distribution as a designed method applied to investigate FGM.As a result the flexural strength is 216 MPa and thermal shock resistance Are>500C for 11 layers (x=0.2~1) FGMs of S-type. KEY WORDS functionally graded materials;S-type composition distribution function;B.C;SiC;C
2 0 0 0 年 第 2 期 沈卫 平等 : S 型 B 4 C 一 is C/ C 功 能梯度 材 料 的设计 和制 备 . 1 6 9 - M aP ; 另 一 个试 条 5 0 ℃ 保温 .0 5 h 后 淬 水 , 抗 弯 强 度为 Z 16 M P a , 因 此 , 抗 热震性头 。 > 50 0℃ . 设计 成 S 型 的 成分分布 函 数 . S 型 1 层 的梯度 材料热压后 无裂 纹 , 抗弯 强度 为 1 8 9 M P a ; 抗 热 震性刁 f 。 > 5 0 0 oC . 3 结论 在 2 0 O0 oC , 2 0 M P a 热 压 , ( 8 0 % B 4 C 一 2 0 % S IC ) 一 x C ( 体积分数 ) x( = .0 2, .0 4, .0 6, 0 . 8) 的样 品 能够 致 密化 , 相 对密 度分别 为一 10 % , 98 . 8% 和 97 . 4 % . 叭 分别为 40 % , 60 % , 80 % C 的样 品 抗弯强度 分别 为 2 5 4 . 6 , 2 0 8 . 2 和 1 1 6 . S M P a . 随着沪 。 的提 高 , 样 品 的线 膨胀 系数 逐渐减 小 , 但纯 石墨 层 的线膨 胀系数 大于 沪 。为 80 % 层 的 . 随着俨 。 的 提高 , 样 品的弹性模量大幅度减小 . 成 分呈线 性变化 的 6 层 和 n 层 梯度材料 热 压后 陶瓷 端表面龟裂 , 6 层 的梯度材料还 有边 缘 层 裂 . B 4 c 一 20 % iS C/ (C 体积 分数 ) 功 能梯度材料 的 两 端都 是脆 性材 料 , 与 陶 瓷 /金 属 的 梯度材料 不 同 , 其 B 4 C 一 SI C 端弹性模 量高 , C 端 强度低 , 所 以 两 端都要 缓和 热应力 . 在幂 函数 的基础 上 , 可 以 参 考 文 献 1 R a d e v D D . S i n et r i n g o f B o or n C a ht id e 一 B a s e d M at e r i a l s . M e at ll , 19 9 1 , 5 1( 1 1 ) : 6 3 0 2 N i ih a r a , K o i e h i . S i n t e r e d C o m P o s i t e B o or n C a r bid e B o dy a n d P r o d u e t i o n P or e e s s . E P 0 4 9 4 3 9 0 A I , 1 99 2 一 0 7 一 1 5 3 S e h w e t z K A , G r e ll n e r W. hT e I n fl u e n e e o f C a rb o n o n th e M i e r o s tr u e ut r e an d M e e h an i c a l P r op e rt i e s o f S i n t e r e d B o r o n C a br id e . J L e s s C o m m o n M e t , 1 9 8 1 , 82 : 3 7 4 S e h w e t z K A , eR i n m u th K , L IP P A . P o ly kr i s t a l li n e , P o re n - fr e i e Si n t e rk o r P e r a u s A IP h a 一 S IC , B o r c a r bid e u n d K o h l e n - s t o f, He r s t e l l u n g u n d E i g e n s e h a ft e n . S P r e e h s a a l , 19 8 3 , 1 16 ( 12 ) : 10 6 3 5 黄 启忠 , 杨 巧勤 , 黄伯 云 , 吕海 波 . 原料种 类对 C 一 B 4 C - is C 复合材 料性 能的影响 . 中南工业大 学学报 , 19 9 5, 26 ( 2 ) : 2 2 3 6 许 杨健 , 赵 志 岗 , 涂代 惠 . 梯 度功 能材 料热弹 性应力 的 研 究进 展 . 材料 导报 , 1 9 9 8 , 1 2 ( l ) : 1 0 D e s i g n a n d F a b r i c a t i o n o f s 一 yT p e B 4 C 一 S IC / C F u n c t i o n a l l y G r a d e d M a t e r i a l s 肠iP i gn, 砰 U B oz ho n ,g L I iJ a n g t O O , G百 hC an gc hu n L ab o r a t o yr o f S p e c i a l C e r am i e s & P /M , M at e r i a l s S e i e n e e a n d E n g i n e e r i n g S e h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T T h e x = 0 . 2 , 0 . 4 , 0 . 6 , 8 0 lay e r s o f ( l 一 x ) ( 8 0 % B 4 C 一 2 0% S IC ) x/ C ( v o l unr e fr a e t i o n ) Fun c ti o n a lly G r a d e d M at e r i a l s w e r e h o t 一 P r e s s e d r e s P e e t i v e l y . T h e d e n s iyt, li n e ar ht e mr a l e x Pa n s i o n , e l a s t i e m o du l u s an d fl e x itr a l s tr e n hgt w e er t e s t e d . T h e r e a er e r a e k l e s i n FG M s o f 6 an d 1 1 l a y e r s ht a t a r e d e s i g n e d b y li n e a r fu n e - t i o n . T h e S 一 yt Pe fu n e t i o n o f e o m Po s it i o n a l d i s tr ib ut i o n a s a d e s ign e d m e t h o d ap Pli e d t o i n v e s t i g at e F G M . A s a r e s u lt ht e fl e x ur a l s t r e n hgt 1 5 Z 1 6 M p a an d t h e mr a l s h o c k r e s i s t an e e J f 。 > 5 0 0℃ fo r 1 1 1盯 e r s x( = 0 . 2 一 l ) F G M s o f s 一 yt Pe · K E Y W O R D S fu ll c t i o n a lly g r a d e d m a t e r i a l s ; S 一 yt Pe e o m P o s it i o n d i s tr ib ut i o n if ln c t i o n : B 4 C : S IC : C