颗粒级配对反应烧结SiC/B4C陶瓷复合材料组织和性能的影响

论文摘要

碳化硼具有高硬度、高模量、耐磨性好、密度小、耐酸碱性强等特点,因而具有广泛的用途。但由于烧结温度高,致密化困难,韧性较低等,碳化硼材料及其产品的应用受到了很大的限制。在碳化硼陶瓷中添加烧结助剂或第二相形成B4C基陶瓷复合材料,是解决以上问题的最佳途径。基于反应烧结SiC的工艺原理,本课题提出制备反应烧结SiC/B4C陶瓷复合材料这一新思路,这将对B4C陶瓷材料的推广和应用将具有非常重要的意义。在制备反应烧结SiC/B4C陶瓷复合材料的过程中,颗粒级配对渗硅过程、材料的密度和性能具有很重要的影响,因此,本文着重研究了B4C的颗粒级配对反应烧结SiC/B4C复合材料物相组成、显微结构、致密度、力学性能的影响。通过详细的研究,论文取得的主要结果为：(1)以B4C和炭黑为原料,经混合、压制成型和烘干后,在真空下经1350℃×1h无压渗硅制备出SiC/B4C陶瓷复合材料。复合材料的相组成为B11.15C2.85、B12.97Si0.03C2、SiC和Si。渗Si烧结过程中,C与Si反应生成SiC；部分B4C颗粒与Si反应生成SiC、B11.15C2.85和B1297Si0.03C2；残留Si的量可控制在10%左右。(2)在复合材料的显微组织中,新生成的SiC和游离Si填充在B4C颗粒空隙处形成结合相,大粒径的B4C由于和Si的反应形成了核壳结构,壳区域的Si含量较高,B4C晶粒内含有位错,在B4C晶粒内有反应生成的SiC,反应生成的SiC主要呈层状结构。(3)正交实验表明：当B4C的粗颗粒(300gm)：中颗粒(39μm)：细颗粒(4.3μm)为7：1：2时,可制得综合性能较佳的SiC/B4C复合材料,其体积密度、气孔率、硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为2.618g/cm3、0.114%、25.60GPa、170.2MPa、3.60MPa·m1/2。SiC/B4C复合材料的断裂方式为：以为穿晶断裂为主,同时还存在大量沿晶断裂。(4)从热力学角度计算和分析了SiC/B4C陶瓷复合材料制备过程中渗硅反应的可能性,并建立了渗硅反应机理模型,认为在渗Si反应过程中,除Si与C反应形成SiC外,Si原子还能扩散进入B4C与其发生反应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳化硼材料的概述
• 1.2.1 碳化硼的组成及结构
• 1.2.2 碳化硼材料的性能及应用
• 1.2.3 碳化硼材料的致密化
• 1.3 碳化硼复相陶瓷
• 1.3.1 碳化硼/单质复相陶瓷
• 1.3.2 碳化硼/氧化物复相陶瓷
• 1.3.3 碳化硼/硼化物复相陶瓷
• 1.3.4 碳化硼/碳化物复相陶瓷
• 4C/SiC复合材料的研究进展'>1.4 B₄C/SiC复合材料的研究进展
• 4C/SiC复合材料的制备'>1.4.1 B₄C/SiC复合材料的制备
• 1.4.2 反应烧结碳化硅概述
• 4C复合材料的研究进展'>1.4.3 反应烧结SiC/B₄C复合材料的研究进展
• 1.5 颗粒堆积理论
• 1.6 本论文研究的目的、意义和内容
• 1.6.1 论文研究的目的和意义
• 1.6.2 论文主要研究内容
• 第2章 实验过程
• 2.1 实验目的
• 2.2 实验原料
• 2.3 实验设备
• 2.4 正交试验设计
• 4C复合材料的制备'>2.5 SiC/B₄C复合材料的制备
• 2.5.1 复合粉体的制备
• 2.5.2 复合粉体的成型
• 2.5.3 烧结
• 4C复合材料的显微组织观察及综合性能测试'>2.6 SiC/B₄C复合材料的显微组织观察及综合性能测试
• 2.6.1 材料的X射线物相分析
• 2.6.2 材料显微组织观测
• 2.6.3 材料相对密度及气孔率的测定
• 2.6.4 材料硬度测试
• 2.6.5 材料抗弯强度测试
• 2.6.6 材料断裂韧性的测试
• 第3章 实验结果与讨论
• 4C复合材料制备工艺的确定'>3.1 SiC/B₄C复合材料制备工艺的确定
• 3.1.1 成形剂的确定
• 3.1.2 烧结工艺的确定
• 4C复合材料物相分析'>3.2 SiC/B₄C复合材料物相分析
• 3.2.1 复合材料XRD定性分析
• 3.2.2 复合材料XRD半定量分析
• 4C复合材料显微组织分析'>3.3 SiC/B₄C复合材料显微组织分析
• 3.3.1 复合材料的基本形貌
• 3.3.2 颗粒级配对复合材料的显微组织的影响
• 3.3.3 复合材料的TEM显微组织观察与分析
• 4C复合材料致密化分析'>3.4 SiC/B₄C复合材料致密化分析
• 3.4.1 临界生坯密度的理论计算
• 3.4.2 颗粒级配对复合材料致密度的影响
• 4C复合材料的力学性能'>3.5 SiC/B₄C复合材料的力学性能
• 4C复合材料硬度分析'>3.5.1 SiC/B₄C复合材料硬度分析
• 4C复合材料抗弯强度分析'>3.5.2 SiC/B₄C复合材料抗弯强度分析
• 4C复合材料断裂韧性分析'>3.5.3 SiC/B₄C复合材料断裂韧性分析
• 4C复合材料综合性能分析'>3.6 SiC/B₄C复合材料综合性能分析
• 4C复合材料的断口形貌分析'>3.7 SiC/B₄C复合材料的断口形貌分析
• 4C复合材料烧结过程中的反应机理'>3.8 热力学计算及SiC/B₄C复合材料烧结过程中的反应机理
• 3.8.1 热力学计算
• 3.8.2 复合材料烧结过程中的反应机理
• 第4章 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢