(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料的反应热压烧结及其力学性能

论文摘要

本文以h-BN粉、ZrO2粉、B4C粉（或B2O3粉）和C粉为原料,采用反应热压烧结工艺成功制备了（ZrB2-ZrO2）/BN复合材料,并采用了X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等分析手段和三点弯曲、单边切口梁法等测试方法,系统研究了烧结助剂、烧结温度以及ZrB2与ZrO2比例对复合材料组织结构和力学性能的影响规律。以GCr15钢球为对磨副,探讨了载荷、滑动速率以及ZrB2与ZrO2比例对复合材料摩擦系数与磨损率的影响规律,初步揭示了复合材料的摩擦磨损机制。以B4C为硼源,按照方程式2ZrO2+B4C+3C=2ZrB2+CO可以获得所需要的复合材料,而以B2O3为硼源时,由于烧结过程中B2O3的挥发,不能得到设计成分的复合材料。与不添加烧结助剂和添加单一烧结助剂SiO2相比,采用8%SiO2+2%X二元烧结助剂,可以实现复合材料的致密化。添加二元烧结助剂,采用1800℃/90min/30MPa烧结工艺制备的ZrB2/BN复合材料的致密度可达96.9%,而不添加烧结助剂和只添加SiO2烧结助剂的复合材料的致密度仅为88%和84%。ZrB2/BN复合材料的致密度随烧结温度的降低而下降,而力学性能则随烧结温度的降低而提高。在1800℃与1600℃烧结的ZrB2/BN复合材料的相对密度分别为96.5%和95.2%。1600℃烧结的ZrB2/BN复合材料的维氏硬度、弹性模量、抗弯强度和断裂韧性分别为1.63GPa、120GPa、286MPa和4.2 MPa?m1/2。降低烧结温度有利于减小BN片层与第二相颗粒尺寸,起到细晶强化作用。35vol% （ZrB2-ZrO2）/BN复合材料的力学性能随ZrB2与ZrO2比例的减小先增大后减小,ZrB2: ZrO2=2.5: 1时,复合材料的综合力学性能最佳,维氏硬度、弹性模量、抗弯强度、断裂韧性分别达到1.74GPa、118GPa、291MPa、4.2 MPa?m1/2。（ZrB2-ZrO2）/BN复合材料的摩擦系数与磨损率随载荷、滑动速率的提高而增大。随ZrB2与ZrO2比例的降低,复合材料的摩擦系数与磨损率增大,尤其是增强相全部为ZrO2时,磨损率达到5×10-5mm3/（N?m）。（ZrB2-ZrO2）/BN复合材料的磨损机制主要为磨粒磨损。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题背景
• 1.2 薄带钢连铸侧封板材料研究进展
• 1.2.1 国外研究应用现状
• 1.2.2 国内研究应用现状
• 1.2.3 国内侧封板材质在使用中存在的问题
• 1.3 氮化硼及其复合材料研究进展
• 1.3.1 氮化硼性质
• 1.3.2 含氮化硼复合材料
• 1.3.3 氮化硼陶瓷材料的致密化行为
• 1.3.4 含氮化硼陶瓷在钢铁工业中的应用
• 1.4 反应热压烧结研究进展
• 1.4.1 反应热压烧结中反应体系的选择要求
• 1.4.2 反应热压烧结硼化锆系材料
• 1.4.3 氮化硼系陶瓷反应烧结
• 1.5 陶瓷材料摩擦磨损性能
• 1.5.1 陶瓷材料摩擦磨损机理
• 1.5.2 含BN复合材料摩擦磨损性能
• 1.6 本文研究的目的和主要内容
• 1.6.1 本文研究的目的
• 1.6.2 本文主要研究内容
• 第2章 试验材料与研究方法
• 2.1 试验用原材料
• 2.1.1 BN粉
• 2 粉'>2.1.2 ZrO₂粉
• 4C粉'>2.1.3 B₄C粉
• 2.1.4 石墨粉
• 2.2 复合材料的制备工艺
• 2.3 材料组织结构分析方法
• 2.3.1 密度的测试
• 2.3.2 XRD物相分析
• 2.3.3 SEM观察
• 2.3.4 TEM观察
• 2.4 材料力学性能测试方法
• 2.4.1 弯曲强度和弹性模量的测试
• 2.4.2 断裂韧性测定
• 2.4.3 维氏硬度测定
• 2.5 摩擦磨损试验方法
• 2/BN复合材料烧结助剂与烧结温度优化'>第3章 ZrB₂/BN复合材料烧结助剂与烧结温度优化
• 3.1 前言
• 3.2 反应体系及反应途径的设计与优化
• 3.2.1 不同反应体系的热力学计算
• 3.2.2 不同反应体系烧结产物物相分析
• 3.3 烧结助剂对复合材料组织结构与力学性能的影响
• 3.3.1 烧结助剂对复合材料物相的影响
• 3.3.2 烧结助剂对复合材料致密度的影响
• 3.3.3 烧结助剂对复合材料组织结构的影响
• 3.3.4 烧结助剂对复合材料力学性能的影响
• 3.4 烧结温度对复合材料组织结构与力学性能的影响
• 2/BN复合材料物相的影响'>3.4.1 烧结温度对ZrB₂/BN复合材料物相的影响
• 3.4.2 烧结温度对复合材料致密度的影响
• 3.4.3 烧结温度对复合材料的组织结构的影响
• 2/BN复合材料力学性能的影响'>3.4.4 烧结温度对ZrB₂/BN复合材料力学性能的影响
• 3.5 本章小结
• 2与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料组织结构与力学性能的影响'>第4章 ZrB₂与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料组织结构与力学性能的影响
• 4.1 引言
• 2与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料组织结构的影响'>4.2 ZrB₂与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料组织结构的影响
• 2与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料物相的影响'>4.2.1 ZrB₂与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料物相的影响
• 2与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料致密度的影响'>4.2.2 ZrB₂与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料致密度的影响
• 2与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料组织结构的影响'>4.2.3 ZrB₂与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料组织结构的影响
• 2与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料力学性能的影响'>4.3 ZrB₂与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料力学性能的影响
• 2与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料维氏硬度的影响'>4.3.1 ZrB₂与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料维氏硬度的影响
• 2与ZrO₂比例（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料抗弯强度的影响'>4.3.2 ZrB₂与ZrO₂比例（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料抗弯强度的影响
• 2与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料弹性模量的影响'>4.3.3 ZrB₂与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料弹性模量的影响
• 2与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料断裂韧性的影响'>4.3.4 ZrB₂与ZrO₂比例对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料断裂韧性的影响
• 4.4 本章小结
• 2-ZrO₂）/BN复合材料的摩擦磨损性能'>第5章 （ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料的摩擦磨损性能
• 5.1 前言
• 2-ZrO₂）/BN复合材料摩擦磨性能的影响'>5.2 载荷对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料摩擦磨性能的影响
• 5.2.1 载荷对摩擦系数的影响
• 5.2.2 载荷对体积磨损率的影响
• 5.2.3 载荷对磨痕微观形貌的影响
• 2-ZrO₂）/BN复合材料摩擦磨损性能的影响'>5.3 滑动速率对（ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料摩擦磨损性能的影响
• 5.3.1 滑动速率对摩擦系数的影响
• 5.3.2 滑动速率对体积磨损率的影响
• 5.3.3 滑动速率对磨痕微观形貌的影响
• 2-ZrO₂）/BN复合材料的摩擦磨损性能'>5.4 （ZrB₂-ZrO₂）/BN复合材料的摩擦磨损性能
• 2与ZrO₂ 比例对摩擦系数的影响'>5.4.1 ZrB₂与ZrO₂比例对摩擦系数的影响
• 2与ZrO₂ 比例对体积磨损率的影响'>5.4.2 ZrB₂与ZrO₂比例对体积磨损率的影响
• 2与ZrO₂ 比例对磨痕微观形貌的影响'>5.4.3 ZrB₂与ZrO₂比例对磨痕微观形貌的影响
• 5.5 摩擦磨损机理的探讨
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢