高性能碳化硼陶瓷材料热压烧结技术研究

论文摘要

碳化硼陶瓷具有高硬度、高模量、良好耐磨性、高中子吸收性、低密度等优良特性,但是因为烧结困难和低的韧性阻碍了其大范围的应用。本文针对碳化硼陶瓷这两个致命弱点进行研究,设计了两种组合烧结助剂（Al2O3+葡萄糖,Y2O3+Al2O3）,改善烧结性能;通过原位反应引入TiB2颗粒增韧B4C陶瓷,并通过优化工艺进一步致密化制备了具有较高综合力学性能的B4C基陶瓷复合材料。运用现代分析测试手段对材料组织结构、室温力学性能等进行了分析,探讨了强化烧结机理和增韧机制。通过添加组合烧结助剂（Al2O3+葡萄糖,Y2O3+Al2O3）,在相对较低温度即达到了致密化:其中以Al2O3和葡萄糖作为烧结助剂,2000℃热压获得了完全致密的B4C陶瓷材料;添加Y2O3+Al2O3,1850℃热压烧结材料致密度达到94.5%TD。液相烧结、活化粉末、增加点缺陷是促进烧结致密化的机理。其中以Al2O3+葡萄糖作为烧结助剂,材料不仅保持了35.4GPa的高硬度,而且断裂韧性提高到5.5 MPa.m1/2。添加TiO2和葡萄糖在B4C基体中原位反应生成了弥散分布的TiB2颗粒,起到了第二相颗粒增韧的作用,1950℃热压得到97.7%TD的TiB2/B4C复合材料,断裂韧性达到5.3 MPa.m1/2。通过优化工艺,添加烧结助剂（Al2O3、Si）,材料接近完全致密,断裂韧性分别提高到7.1和6.4MPa.m1/2。其中以Si作为烧结助剂,在更低的温度1900℃即达到了烧结致密化,且具有较好的综合力学性能。复合材料断裂韧性提高机制为:①第二相颗粒（TiB2、Al2O3、SiC）使裂纹产生偏转、桥连以及分叉;②各相膨胀系数失配产生残余应力对裂纹的阻碍作用;③微裂纹和微小气孔对裂纹能量的释放作用;④TiB2晶粒抑制了B4C晶粒的生长,细化了B4C晶粒。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳化硼的晶体机构及其相图
• 1.2.1 碳化硼的晶体结构
• 1.2.2 B-C系统二元相图
• 1.3 碳化硼的性能及应用现状
• 1.3.1 碳化硼的基本性质
• 1.3.2 碳化硼材料的力学性能
• 1.3.3 碳化硼材料的应用现状
• 1.4 碳化硼的致密化烧结
• 1.4.1 纯碳化硼的无压烧结
• 1.4.2 碳化硼的各种烧结助剂
• 1.4.3 热压和热等静压烧结
• 1.5 碳化硼材料的强韧化
• 1.5.1 第二相粒子弥散强化
• 1.5.2 晶须增韧碳化硼陶瓷
• 1.6 选题的目的和意义
• 1.7 本课题研究的主要内容
• 第2章 试验过程及研究方法
• 2.1 试验所用原料
• 2.2 试验设备
• 2.3 试验过程
• 2.4 性能测试
• 2.4.1 密度测定
• 2.4.2 抗弯强度测试
• 2.4.3 断裂韧性测定
• 2.4.4 显微硬度测定
• 2.5 组织结构分析
• 2.5.1 XRD物相分析
• 2.5.2 扫描电镜（SEM）观察
• 2.5.3 能谱（EDX）分析
• 第3章 碳化硼陶瓷的烧结致密化
• 3.1 粉末烧结致密化理论
• 3.1.1 颗粒的烧结性
• 3.1.2 固相烧结理论
• 3.1.3 强化烧结
• 3.1.4 液相烧结致密化
• 3.2 烧结致密化设计
• 2O₃+C作为烧结助剂'>3.3 添加Al₂O₃+C作为烧结助剂
• 3.3.1 材料制备
• 3.3.2 烧结材料物相组成
• 3.3.3 烧结材料组织结构
• 3.3.4 致密度
• 3.3.5 材料力学性能
• 2O₃-Y₂O₃作为烧结助剂'>3.4 添加Al₂O₃-Y₂O₃作为烧结助剂
• 3.4.1 材料制备
• 3.4.2 烧结材料物相组成及组织结构
• 3.4.3 烧结材料的性能
• 3.5 本章小结
• 2/B₄C复合材料的制备'>第4章 TiB₂/B₄C复合材料的制备
• 2/B₄C复合材料设计'>4.1 TiB₂/B₄C复合材料设计
• 4.2 热力学计算
• 4.2.1 热力学计算的理论基础
• 4.2.2 反应热力学参数及计算
• 4.3 材料制备
• 4.3.1 确定原料配比
• 4.3.2 确定制备工艺
• 4.4 本章小结
• 2/B₄C复合材料的结构性能及工艺优化'>第5章 TiB₂/B₄C复合材料的结构性能及工艺优化
• 5.1 物相组成
• 5.2 显微组织结构
• 2晶粒分布及形貌'>5.2.1 TiB₂晶粒分布及形貌
• 5.2.2 TBA材料显微组织
• 5.2.3 TBS材料显微组织
• 5.3 烧结致密化
• 5.3.1 TB材料烧结致密化
• 5.3.2 TBA和TBS材料烧结致密化
• 5.4 室温力学性能
• 5.4.1 显微硬度
• 5.4.2 抗弯强度和断裂韧性
• 5.5 第二相颗粒增韧的微观机制
• 2添加量对材料性能影响'>5.6 烧结温度和TiO₂添加量对材料性能影响
• 4C基陶瓷复合材料制备工艺'>5.7 高性能B₄C基陶瓷复合材料制备工艺
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢