微波烧结/热等静压制备Al2O3/SiCw复合陶瓷的微观组织与性能研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1174

摘要/Abstract

摘要：

氧化铝（Al₂O₃）陶瓷具有高硬度、优异的耐磨性和化学稳定性，在结构陶瓷领域具有广阔的应用前景。本研究采用微波烧结/热等静压（HIP）工艺制备了高性能Al₂O₃/SiC_w复合陶瓷材料，研究了微波烧结工艺、碳化硅晶须（SiC_w）含量和HIP后处理对Al₂O₃/SiC_w微观组织和力学性能的影响。结果表明，当SiC_w含量为7%（质量分数）时，在1 650 ℃下保温10 min微波烧结制备的Al₂O₃/SiC_w的力学性能最佳，其相对密度、维氏硬度和断裂韧性分别为99.2%、18.62 GPa和4.85 MPa·m^1/2；经HIP处理后，试样的性能均有所提升，其中添加10% SiC_w的试样具有最佳的力学性能，相对密度从97.55%提升至99.56%，维氏硬度和断裂韧性分别为19.55 GPa和5.05 MPa·m^1/2，相比于HIP处理前，维氏硬度提升了10.8%，断裂韧性提升了10.0%。

关键词: Al₂O₃/SiC_w, 微波烧结, 热等静压处理, 微观组织, 力学性能

Abstract:

Alumina （Al₂O₃） ceramics are widely recognized for their high hardness， excellent wear resistance， and outstanding chemical stability， making them highly promising for structural applications. In this study， high-performance Al₂O₃/SiC_w composite ceramics were fabricated using a combined process involving microwave sintering followed by hot isostatic pressing （HIP）. The effects of microwave sintering parameters， silicon carbide whisker （SiC_w） content， and HIP post-treatment on the microstructure and mechanical properties of Al₂O₃/SiC_w were systematically investigated. The results indicate that with 7% （mass fraction） SiC_w addition and microwave sintering at 1 650 ℃ for 10 min， the Al₂O₃/SiC_w achieves optimal mechanical properties， exhibiting a relative density of 99.2%， Vickers hardness of 18.62 GPa， and fracture toughness of 4.85 MPa·m^1/2. After HIP treatment， the properties of the specimens are further improved. In particular， the specimen with 10% SiC_w shows the best mechanical property， with its relative density increasing from 97.55% to 99.56%， Vickers hardness reaching 19.55 GPa， and fracture toughness attaining 5.05 MPa·m^1/2. Compared to the specimen before HIP treatment， the Vickers hardness and fracture toughness are enhanced by 10.8% and 10.0%， respectively.

Key words: Al₂O₃/SiC_w, microwave sintering, hot isostatic pressing treatment, microstructure, mechanical property

中图分类号:

TQ174

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图/表 9

表1 实验原料的性能

Table 1 Properties of raw materials

Raw material	Grain size/nm	Purity （mass fraction）/%	Density/（g·cm^-3）
Al₂O₃	100	99.9	3.99
MgO	50	99.9	3.58
Y₂O₃	50	99.9	5.01
SiC_w	—	99.9	3.21

表2 试样的配方设计与理论密度

Table 2 Formula design and theoretical density of specimens

No.	Mass fraction/%				Theoretical density/（g·cm^-3）
No.	Al₂O₃	SiC_w	Y₂O₃	MgO	Theoretical density/（g·cm^-3）
AS3	95.6	3.0	0.7	0.7	3.96
AS5	93.6	5.0	0.7	0.7	3.94
AS7	91.6	7.0	0.7	0.7	3.92
AS10	88.6	10.0	0.7	0.7	3.89
AS13	85.6	13.0	0.7	0.7	3.87

图1 AS7配方试样在不同烧结温度下的SEM照片和性能

Fig.1 SEM images and properties of specimen AS7 at different sintering temperatures

图2 AS7配方试样在不同保温时间下的SEM照片和性能

Fig.2 SEM images and properties of specimen AS7 at different holding time

图3 1 650 ℃保温10 min下不同SiCw含量试样的断面SEM照片

Fig.3 SEM images of cross-sections of specimens with different SiCw content sintered at 1 650 ℃ for 10 min

图4 不同SiCw含量试样的性能和XRD谱

Fig.4 Properties and XRD patterns of specimens with different SiCw content

图5 裂纹扩展和增韧机理

Fig.5 Crack propagation and toughening mechanisms

图6 不同SiCw含量试样经HIP处理前后的相对密度及力学性能变化

Fig.6 Changes in relative density and mechanical properties of specimens with different SiCw content before and after HIP treatment

图7 不同SiCw含量试样经HIP处理前后的SEM照片

Fig.7 SEM images of specimens with different SiCw content before and after HIP treatment

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微波烧结/热等静压制备Al₂O₃/SiC_w复合陶瓷的微观组织与性能研究

Microstructure and Properties of Al₂O₃/SiC_w Composite Ceramics Prepared by Microwave Sintering and Hot Isostatic Pressing

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