顆粒強化氧化鋁與氧化鋯複合材料之研製及其機械性質研究

Abstract

為獲得微細而均勻分佈之陶瓷顆粒強化複合材料，採用直接互換反應法，生成碳化 鉻及硼化鈦，以強化氧化鋁；此外，亦研究用濕式化學方法添加莫來石及氧化矽於 ３莫爾﹪氧化釔摻合之正方氧化鋯(Y-TZP) 中；上述複合材料之燒結行為、相變化 、微結構及機械性質均加以有系統地探討，並獲得下列結果： 熱壓過程中經由氧化鉻與碳化矽在氧化鋁中反應，有三種含鉻化合物（Cr□Si， Cr□C□及Cr□C□）及莫來石形成。在真空中燒結，Cr□Si首先出現且在＜1550℃ 時為主要相，而在＞1600℃時，Cr□C□ 為主要相；在≧1500℃時，Cr□C□ 相短 暫出現且隨即消失。在氬氣中且於1450°∼1500℃熱壓，出現Cr□C□ 為主要相。 當碳化鉻含量低且Cr□C□ 為主要相時，氧化鋁明顯被強化，例如，含 5 vol﹪碳 化鉻且在 1500℃ 熱壓，其抗折強度可達600 MPa ，破裂韌性可達６.１ ＭＰａ． ｍ0.5 。 利用真空燒結，經由氧化鈦及硼於氧化鋁中之反應，可得微細硼化鈦顆粒（0.2 ∼ 1.6 μｍ），再經1300℃預熱（＞30 min），且於≧1500℃真空燒結，可獲得密度 達99﹪理論密度之氧化鋁╱硼化鈦複合材料。含20 vol﹪硼化鈦之複合材料，其抗 折強度可達585 MPa ，而破裂韌性可達７.２ ＭＰａ．ｍ0.5 。 利用濕式化學方法可獲致之微細莫來石顆粒（＜3μm），其化學成份介於3Al□O□ ．2SiO□與2Al□O□．SiO□ 之間；添加莫來石於正方氧化鋯中，導致兩種效果： 氧化鋯晶粒增大及破裂韌性增加50﹪（由９增至１３.５ＭＰａ．ｍ0.5），此韌性 增加係歸功於正方氧化鋯之相變化能力增強，此現象乃因正方氧化鋯之晶粒增大及 正方性增加所致。 添加少量氧化矽（0.5∼3.0 wt﹪ ）可加強正方氧化鋯之燒結緻密性；添加0.5wt ﹪氧化矽雖使抗折強度下降，但破裂韌性顯著增加；韌性之增加係歸功於正方氧化 鋯之相變化能力增加，而此乃因正方氧化鋯晶粒增大所致。