通过层间设计与无压固态烧结技术制备耐损伤的碳化硅（SiC）层压板

SiC层状陶瓷通过石墨、h-BN等四类界面层设计与共烧结工艺优化，实现了残余应力调控与力学性能提升。研究表明弱界面层（石墨、h-BN）通过裂纹偏转机制使断裂韧性达10MPa·m1/2，而强界面层（B4C、TiB2）因热膨胀失配产生残余应力，其中TiB2层出现 tensile stress。当SiC层厚度与界面层超过5:1比例时，烧结缺陷导致性能下降。

　　

孙梦勇|曲俊峰|李国斌|孙淑丽|方海荣|王文龙|冯英|李子源

中国兵器工业集团第52研究所，烟台264003，中国

摘要

本研究通过 tape casting 和无压固态烧结工艺制备了含有工程化中间层（石墨、h-BN、B₄C、TiB₂）的层压碳化硅（SiC）陶瓷，以探讨中间层对共烧行为、残余应力和机械性能的影响。SiC 与石墨以及 SiC 与 h-BN 之间的弱界面促进了裂纹偏转和非灾难性失效。有限元分析显示，C、h-BN 和 B₄C 中间层存在压缩残余应力，而 TiB₂ 中间层由于与 SiC 的热膨胀失配而产生拉伸应力。SiC/h-BN 层压体的弯曲强度最高，达到 367 MPa；SiC/C 层压体的断裂韧性为 10 MPa·m^1/2，几乎是单晶 SiC 的两倍。然而，当 SiC 与中间层的 tape 数量比超过 5:1 时，会形成宏观烧结缺陷，导致机械性能下降。这些结果为通过中间层设计制备耐损伤的 SiC 层压体提供了设计原则。

引言

碳化硅（SiC）陶瓷广泛应用于需要高强度、热稳定性和耐磨性的领域，特别是在航空航天、核能和先进制造领域 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，其固有的脆性和低断裂韧性导致对缺陷的敏感性较高，从而限制了其在结构中的应用 [6]。受到天然层状材料（如珍珠层）的启发，开发了具有交替基体和中间层的陶瓷层压体，通过裂纹偏转、界面脱粘和分层等外在机制来提高韧性 [7]、[8]、[9]、[10]、[11]。无压烧结是一种商业上可行的技术，可用于制造复杂形状的 SiC 组件，克服了热压等压力辅助烧结方法所面临的几何约束 [12]、[13]、[14]。

虽然在烧结过程中引入次级相或工程化层可以调整材料性能，但由于不同材料之间的烧结收缩率和热膨胀失配，共烧仍然具有挑战性，这可能产生有害的残余应力，导致界面裂纹或过早失效 [15]、[16]、[17]、[18]、[19]。石墨、六方氮化硼（h-BN）、碳化硼（B₄C）和二硼化钛（TiB₂）等材料是很有前景的中间层候选材料，它们具有独特的热机械性能，并可能与 SiC 具有良好的兼容性 [20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。由于其层状结构，石墨和 h-BN 可以作为弱中间层，有效偏转裂纹的扩展，从而防止灾难性的脆性失效 [27]、[28]、[29]、[30]。相比之下，B₄C 和 TiB₂ 可以与 SiC 形成更强的结合，但由于热膨胀系数（CTE）和弹性模量的显著差异，可能会引入较大的残余热应力 [31]、[32]、[33]。尽管已有研究探讨了各种层压 SiC 系统，但系统地研究中间层类型、层结构、残余应力状态与无压固态烧结 SiC 的机械性能之间的关系仍较为缺乏。特别是，不同层厚度比下共烧行为与热诱导残余应力之间的相互作用尚不明确。

本研究通过 tape casting 和无压固态烧结工艺制备了一系列含有 C、h-BN、B₄C 和 TiB₂ 中间层的层压 SiC 陶瓷，系统评估了中间层特性对最终层压陶瓷性能的影响。首先优化了烧结添加剂和温度对 SiC 基体致密化的影响，以确保后续层压结构具有高密度基线。随后，详细研究了中间层类型和 SiC 与中间层厚度比对微观结构演变、残余应力分布以及机械性能（弯曲强度和断裂韧性）的影响。研究结果揭示了关键关系，为开发可靠的耐损伤层压 SiC 陶瓷提供了设计框架。

实验步骤

实验程序

实验所用起始材料为市售粉末：α-SiC（D₅₀ = 0.5 μm，纯度 >99.9%）、B₄C（D₅₀ = 1 μm，纯度 >99.9%）、TiB₂（D₅₀ = 1 μm，纯度 >99.9%）、非晶硼（D₅₀ = 1 μm，纯度 >99.9%）、热解碳（D₅₀ = 30 nm，纯度 >99.9%）、石墨（D₅₀ = 1 μm，纯度 >99.9%）和 h-BN（D₅₀ = 0.5 μm，纯度 >99.9%）（上海水天材料科技有限公司，中国）。用于 tape casting 的有机添加剂为三乙基磷酸酯（TEP）作为分散剂。

层压陶瓷的微观结构

如图 1 的截面显微图所示，四种类型的中间层（C、h-BN、B₄C 和 TiB₂）成功集成到了 SiC 基体中。由于烧结收缩率的差异，最终中间层的厚度有所不同：C（约 70 μm）> B₄C（约 60 μm）> TiB₂（约 55 μm）> h-BN（约 45 μm）。C 层的相对较高厚度是由于石墨的烧结收缩率最小，它起到了物理间隔的作用。

结论

• (1)
  通过系统改变 SiC 与中间层的厚度比，阐明了中间层类型、残余应力演变和宏观机械性能之间的相互作用。
• (2)
  含有弱中间层（C 和 h-BN）的层压体表现出更高的断裂韧性，这与层状陶瓷中已建立的裂纹偏转和界面滑移机制一致。S-3SiC/C 层压体的断裂韧性达到 10.0 MPa·m^1/2，几乎是单晶 SiC 的两倍。

作者贡献声明

曲俊峰：资源获取、资金筹措、正式分析。李国斌：项目管理、方法论、研究、概念化。孙梦勇：初稿撰写、资金筹措、概念化。王文龙：撰写、审稿与编辑、研究。冯英：撰写、审稿与编辑、监督。孙淑丽：监督、软件使用。方海荣：可视化处理、监督。李子源：数据验证、数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了 内蒙古军民融合项目（项目编号 JMRHZX20240111）的支持。