本文關(guān)鍵詞：反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、碳化硼陶瓷及其增韌的研究

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【摘要】：碳化硅和碳化硼材料均具有低密度、高硬度、高模量、耐磨蝕等特點(diǎn),在輕質(zhì)裝甲領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。但是碳化硅和碳化硼有很強(qiáng)的共價(jià)鍵,在燒結(jié)過(guò)程中擴(kuò)散速率低,且陶瓷顆粒難以實(shí)現(xiàn)收縮致密,難以實(shí)現(xiàn)較低溫度的快速燒結(jié)。本文通過(guò)反應(yīng)燒結(jié)的工藝在1500℃-1600℃的低溫制備了碳化硅、碳化硼復(fù)合材料。反應(yīng)燒結(jié)具有工藝簡(jiǎn)單、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)速度快、尺寸變化小等優(yōu)點(diǎn),但是由于所制備的復(fù)合材料中含有游離硅,這會(huì)對(duì)材料的的力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響。因此,本文在反應(yīng)燒結(jié)制備工藝的基礎(chǔ)上,對(duì)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、碳化硼復(fù)合材料的增韌進(jìn)行探究。本實(shí)驗(yàn)在碳化硅和碳化硼的基體中分別加入了氮化鋁顆粒和短切碳纖維,以期能夠?qū)Ψ磻?yīng)燒結(jié)碳化硅、碳化硼陶瓷材料進(jìn)行增韌。利用XRD、OM、SEM等分析了復(fù)合材料的物相和組織結(jié)構(gòu),并測(cè)試了材料的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明:(1)試驗(yàn)中所使用的硅能夠在略高于其熔點(diǎn)的溫度下熔滲進(jìn)入碳化硅和碳化硼的坯體,熔融硅與坯體具有良好的潤(rùn)濕性。經(jīng)XRD檢測(cè)得知,所制備材料中沒(méi)有殘?zhí)康拇嬖?熔融硅與坯體中的碳進(jìn)行了完全反應(yīng)。金相和斷口形貌的照片則顯示材料的致密化程度較高,幾乎沒(méi)有氣孔的存在。反應(yīng)燒結(jié)工藝能夠得到反應(yīng)完全、致密度高的碳化硅、碳化硼陶瓷復(fù)合材料。(2)通過(guò)添加氮化鋁顆粒來(lái)增韌反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、碳化硼復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:SiC/AlN和B_4C/AlN復(fù)合材料的開(kāi)口氣孔率、抗彎強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能的趨勢(shì)呈現(xiàn)一致性。SiC/AlN復(fù)合材料在氮化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)達(dá)到最大的抗彎強(qiáng)度值256 MPa,最大的硬度值為2660 HV。在氮化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí),B_4C/AlN復(fù)合材料最大抗彎強(qiáng)度和硬度分別為為324MPa和2857 HV。金相和斷口形貌顯示兩種復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)均較為致密,斷裂方式為沿晶斷裂和穿晶斷裂相結(jié)合。(3)短切碳纖維增韌反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、碳化硼復(fù)合材料的結(jié)果顯示:雖然短切碳纖維具有高強(qiáng)度和高模量,但是隨著碳纖維含量的增加,材料的致密度出現(xiàn)下降,碳化硅和碳化硼的抗彎強(qiáng)度和硬度均呈現(xiàn)一直下降的趨勢(shì)。碳纖維能夠與熔融硅發(fā)生反應(yīng),增加了其與基體的結(jié)合力。當(dāng)復(fù)合材料斷裂產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展時(shí)會(huì)由于纖維的拔出以及裂紋的偏轉(zhuǎn)而增加了材料的斷裂韌性。其中,當(dāng)碳纖維的體積含量為7%時(shí),C_f/SiC復(fù)合材料的斷裂韌性達(dá)到最大值,最大值為4.89 MPa·m~(1/2)。當(dāng)碳纖維的體積含量為12%時(shí),C_f/B_4C復(fù)合材料斷裂韌性的最大值為4.29 MPa·m~(1/2),這比未添加碳纖維時(shí)對(duì)照組的3.89 MPa·m~(1/2)提高了約10%。
【關(guān)鍵詞】：反應(yīng)燒結(jié) 纖維增韌 氮化鋁 碳化硼 碳化硅
【學(xué)位授予單位】：上海工程技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ174.1;TB332
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 課題研究背景12
• 1.2 SiC和B_4C的燒結(jié)方法12-18
• 1.2.1 熱等靜壓燒結(jié)13
• 1.2.2 熱壓燒結(jié)13-14
• 1.2.3 放電等離子燒結(jié)（SPS）14-15
• 1.2.4 無(wú)壓燒結(jié)15-16
• 1.2.5 反應(yīng)燒結(jié)16-17
• 1.2.6 微波燒結(jié)17-18
• 1.3 SiC和B_4C的增韌方法18-22
• 1.3.1 顆粒增韌19-20
• 1.3.2 纖維增韌20-21
• 1.3.3 晶須增韌21-22
• 1.4 選題依據(jù)和研究?jī)?nèi)容22-24
• 1.4.1 選題依據(jù)22
• 1.4.2 主要研究?jī)?nèi)容22-24
• 第二章 實(shí)驗(yàn)與研究方法24-33
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料24-25
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料24-25
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備25
• 2.2 實(shí)驗(yàn)流程25-29
• 2.2.1 原料的預(yù)處理25-27
• 2.2.2 復(fù)合材料預(yù)制體的制備27
• 2.2.3 復(fù)合材料預(yù)制體中有機(jī)物的碳化處理27-28
• 2.2.4 反應(yīng)燒結(jié)需硅量的計(jì)算28-29
• 2.2.5 復(fù)合材料的真空反應(yīng)燒結(jié)29
• 2.2.6 復(fù)合材料的除硅處理和后續(xù)加工29
• 2.3 材料基本性能測(cè)試29-33
• 2.3.1 復(fù)合材料的密度測(cè)試29-30
• 2.3.2 復(fù)合材料的開(kāi)口氣孔率測(cè)試30
• 2.3.3 復(fù)合材料的顯微硬度測(cè)試30
• 2.3.4 復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度測(cè)試30-31
• 2.3.5 復(fù)合材料的斷裂韌性測(cè)試31-32
• 2.3.6 復(fù)合材料的物相分析32
• 2.3.7 復(fù)合材料的金相分析32
• 2.3.8 復(fù)合材料的SEM分析32-33
• 第三章 氮化鋁對(duì)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅、碳化硼性能的影響33-47
• 3.1 復(fù)合材料的制備工藝33-34
• 3.2 復(fù)合材料的相組成34-36
• 3.2.1 SiC/AlN復(fù)合材料的相組成34-35
• 3.2.2 B_4C/AlN復(fù)合材料的相組成35-36
• 3.3 復(fù)合材料的金相36-39
• 3.3.1 SiC/AlN復(fù)合陶瓷材料的金相組成36-37
• 3.3.2 B_4C/AlN復(fù)合陶瓷材料的金相組成37-39
• 3.4 AlN含量對(duì)復(fù)合材料密度和開(kāi)口氣孔率的影響39-40
• 3.5 AlN含量復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度的影響40-41
• 3.6 AlN含量對(duì)復(fù)合材料硬度的影響41-42
• 3.7 復(fù)合材料的斷口形貌42-44
• 3.7.1 SiC/AlN復(fù)合陶瓷材料的斷口形貌分析42-43
• 3.7.2 B_4C/AlN復(fù)合陶瓷材料的斷口形貌分析43-44
• 3.8 本章小結(jié)44-47
• 第四章 碳纖維對(duì)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅復(fù)合材料性能的影響47-55
• 4.1 C_f/SiC混合粉末壓坯的制備和燒結(jié)47-48
• 4.2 反應(yīng)燒結(jié)C_f/SiC復(fù)合材料的物相48-49
• 4.3 反應(yīng)燒結(jié)C_f/SiC復(fù)合材料的金相組織結(jié)構(gòu)49-50
• 4.4 C_f含量對(duì)C_f/SiC復(fù)合材料的密度和開(kāi)口氣孔率的影響50-51
• 4.5 C_f含量對(duì)C_f/SiC復(fù)合材料硬度的影響51
• 4.6 C_f含量對(duì)C_f/SiC復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度的影響51-52
• 4.7 C_f含量對(duì)C_f/SiC復(fù)合材料斷裂韌性的影響52
• 4.8 反應(yīng)燒結(jié)C_f/SiC復(fù)合材料的斷口形貌52-53
• 4.9 本章小結(jié)53-55
• 第五章 碳纖維對(duì)反應(yīng)燒結(jié)碳化硼復(fù)合材料性能的影響55-65
• 5.1 研究方法55-56
• 5.2 反應(yīng)燒結(jié)C_f/B_4C復(fù)合材料的物相56-57
• 5.3 反應(yīng)燒結(jié)C_f/B_4C復(fù)合材料的金相組織結(jié)構(gòu)57-58
• 5.4 C_f含量對(duì)C_f/B_4C復(fù)合材料的密度和開(kāi)口氣孔率的影響58-59
• 5.5 C_f含量對(duì)C_f/B_4C復(fù)合材料硬度的影響59-60
• 5.6 C_f含量對(duì)C_f/B_4C復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度的影響60-61
• 5.7 C_f含量對(duì)C_f/B_4C復(fù)合材料斷裂韌性的影響61-62
• 5.8 反應(yīng)燒結(jié)C_f/B_4C復(fù)合材料的斷口形貌62-63
• 5.9 本章小結(jié)63-65
• 第六章 結(jié)論與展望65-67
• 6.1 結(jié)論65-66
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)66-67
• 參考文獻(xiàn)67-71
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及取得的相關(guān)科研成果71-72
• 致謝72-73

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本文編號(hào)：878732