【摘要】：集低密度、低摩擦系數(shù)、高硬度、高模量、高熔點、良好的耐酸堿性以及優(yōu)異的中子吸收性能于一體的碳化硼(B_4C)陶瓷是一種重要的工程材料,被作為輕質(zhì)裝甲材料、耐磨噴嘴、砂輪和中子屏蔽材料廣泛應(yīng)用于機械、化學(xué)、軍工等諸多領(lǐng)域。但是,B_4C陶瓷是共價鍵占90%以上的陶瓷材料,晶界移動阻力大,致使其是一種極難燒結(jié)的工程材料,且成品具有較低的斷裂韌性,難以滿足工程應(yīng)用的需求,這極大的限制了B_4C陶瓷的應(yīng)用。為了降低碳化硼陶瓷的燒結(jié)溫度并且提高其性能,本文采用熔鹽法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球磨混料,將第二相均勻包裹于B_4C顆粒表面,結(jié)合相圖研究了包裹B_4C粉末的制備工藝、制品的物相組成及性能,并對顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。本文以B_4C、鈦(Ti)和鋁(Al)粉末為原料,采用氯化鈉(NaCl)/氯化鉀(KCl)作為熔鹽介質(zhì),經(jīng)高溫在B_4C顆粒表面原位包裹第二相,之后通過脈沖電流燒結(jié)設(shè)備(PECS)在1700°C燒結(jié),成功制備出B_4C-Al_3BC和B_4C-TiB_2復(fù)合材料,并對物相、微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征與測試。結(jié)果表明:合理的控制原料配比、粉末制備溫度和保溫時間對第二相組成及分布有重要的影響。采用粉末衍射儀(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)對制備的粉末進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn):Al與B_4C的潤濕性在1100°C以下很差,最終產(chǎn)物中始終有殘余的Al存在,且原位生成的Al_3BC以細(xì)小(3μm)的顆粒狀形貌在B_4C顆粒表面成核生長。Ti與B_4C在1000°C時具有良好的潤濕性,最終產(chǎn)物中沒有殘留的Ti,原位生成的第二相-TiCTiB_2均勻包裹于B_4C顆粒表面,形成核殼結(jié)構(gòu)粉體。對燒結(jié)的復(fù)合材料進(jìn)行性能測試表明:B_4C@18 wt.%Al_3BC粉末在1700?C可以接近完全致密,且彈性模量為495 GPa,硬度為37.0 GPa,斷裂韌性為6.32MPa·m~(1/2)。B_4C@TiCTiB_2核殼結(jié)構(gòu)粉末在1700?C燒結(jié)制備的B_4C-29.8vol%TiB_2復(fù)合材料可以達(dá)到理論密度的98.2%,彈性模量為515.6 GPa,硬度為32.1GPa,斷裂韌性為4.38 MPa·m~(1/2),電導(dǎo)率為4.06×10~5 S/m,熱導(dǎo)率為33 W/mK。包裹于B_4C顆粒表面的Al_3BC和TiCTiB_2會在PECS燒結(jié)過程中分別轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌珹l的化合物和TiB_2,這些化合物分布于B_4C晶界處,因為熱膨脹系數(shù)的差別,會在界面處產(chǎn)生微裂紋,形成弱界面,裂紋擴展到界面處會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),斷裂模式由單一的穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚А鼐Щ旌蠑嗔涯Ｊ?斷裂韌性大幅提高。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;TQ174.1
【圖文】：

圖 1.1 碳化硼晶體結(jié)構(gòu)[8]Figure 1.1 The crystal structure of boron carbide[8]相圖的研究碳化硼的晶體結(jié)構(gòu)，研究 B-C 二元相圖是最好 1.2 所示[8]。截止目前，B-C 組成化合物的數(shù)量高達(dá) 富硼的 B12C 以及在此范圍內(nèi)的其他固溶相，但是較，其中碳含量在 8.8 at%-20.0 at%范圍內(nèi)變化。Elliott[1.2 at%)，該相的熔點在 2450 °C。從圖中可以看出，硼根據(jù)相圖規(guī)律，與碳化硼存在一個最低共熔點 2075 °at%，符合 B4C 的化學(xué)計量比。Schwetz 等人研究發(fā)現(xiàn)化硼熔融狀態(tài)下和石墨達(dá)到平衡時的化學(xué)式為 B4.3C，

Figure 1.1 The crystal structure of boron carbide[8]相圖的研究碳化硼的晶體結(jié)構(gòu)，研究 B-C 二元相圖是最好 1.2 所示[8]。截止目前，B-C 組成化合物的數(shù)量高達(dá) 富硼的 B12C 以及在此范圍內(nèi)的其他固溶相，但是較，其中碳含量在 8.8 at%-20.0 at%范圍內(nèi)變化。Elliott[1.2 at%)，該相的熔點在 2450 °C。從圖中可以看出，硼根據(jù)相圖規(guī)律，與碳化硼存在一個最低共熔點 2075 °at%，符合 B4C 的化學(xué)計量比。Schwetz 等人研究發(fā)現(xiàn)化硼熔融狀態(tài)下和石墨達(dá)到平衡時的化學(xué)式為 B4.3C，熔點，大約在 2375 °C。從圖 1.2 可以看出，碳含量的化學(xué)式由 B10.5C 變?yōu)榈?B4C[14]。

7、AlB24C4等[51-53]，其中 Al3BC 在名為 X 相[54]。Viala 等人[55]通過 X體結(jié)構(gòu)屬六方晶系，對應(yīng)的晶胞參eyer 和 Hillebrecht[56]合成了純的 A層[BAl6]八面體和[CAl5]三角雙錐種材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，類似溫穩(wěn)定性，并報道了 Al3BC 在 1.Wang 等人[58]計算了 Al3BC 的模量0 GPa 和楊氏模量為 326 GPa。因此料，與其他的增強相材料（SiC、度（2.83 g/cm3），更接近 B4C 的密發(fā)生分層或團(tuán)聚現(xiàn)象，有利于增強性能，用于軍工領(lǐng)域。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前8條

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本文編號：2778929