c-BN/SiAlON及B4C陶瓷复合材料的制备及其组织与性能的研究

论文摘要

本文针对c-BN和B4C难烧结致密化,通过SiAlON生成过程产生的液相来降低c-BN的烧结温度,在较低的温度下实现c-BN的致密化,对于B4C材料,通过添加Si在高温产生液相来实现B4C的致密化,采用放电等离子烧结法制备c-BN/SiAlON和含Si的B4C基复合材料。系统研究了成份和烧结工艺对复合材料力学性能和摩擦磨损性能的影响,探讨了复合材料的强化及磨损机理。研究结果表明,采用粒径为0.51μm的c-BN,c-BN/Y-α-SiAlON和c-BN/Yb-α-SiAlON复合材料的在1550℃/50MPa/5minSPS烧结过程中,75wt%以上的c-BN发生c-BN→h-BN转变,c-BN加入抑制α-SiAlON的形成,且随着c-BN含量的增加,抑制作用增大。当采用粒径为24μm的c-BN时,c-BN在液相烧结过程中未发生相变,c-BN粒径为24μm的20wt%c-BN/Yb-α-SiAlON复合材料的硬度达到了21.586GPa。采用粒径为24μm的c-BN时,c-BN/β-SiAlON复合材料的力学性能随着c-BN含量的增加先增加后减小。10wt%c-BN/β-SiAlON维氏硬度和抗弯强度达到最大值,达到了15.4GPa和432MPa。随着c-BN含量的继续增加,复合材料力学性能下降,主要是由于c-BN增加降低了材料的致密度。SEM分析表明:复合材料的力学性能提高的主要原因是:c-BN的加入阻碍裂纹扩展导致裂纹偏转。在载荷为20N的干摩擦下, 20wt%c-BN/Yb1510E2复合材料,与Yb1510E2相比,摩擦系数和磨损率都升高,主要是由于Yb1510E2陶瓷为摩擦化学反应和粘着磨损;而20wt%c-BN/Yb1510E2主要为表面疲劳磨损和磨粒磨损。对于磨损方式主要为表面疲劳磨损和磨粒磨损的c-BN/β-SiAlON复合材料摩擦系数随着c-BN含量的增加而减小,而磨损率随着c-BN含量的增加而增大,这主要是由于c-BN与基体结合弱,在摩擦磨损的进行,c-BN含量高的试样磨损量大,与摩擦副的接触面积也大,摩擦系数随之会降低。添加Si粉可以显著提高B4C的致密度和力学性能,当Si含量为8wt%时,在1800℃/50MPa/5minSPS烧结后,相对密度可以达到99.78%,维氏硬度和抗弯强度达到最高,分别为41.83GPa,654MPa。随着Si含量的增加,硬度有所下降,主要是由于生成的SiC硬度低于B4C硬度。添加Si后复合材料力学性能提高的主要原因是:①致密度的提高;②晶粒细化;③S iC的韧化作用。XRD分析表明,含Si试样的B4C晶格常数增大,这是由于Si取代B4C结构中C-B-C原子链的C原子并且Si可能会进入B4C晶体结构的空隙位置,而且置换出来的C会与Si继续反应生成SiC相。在载荷为20N的干摩擦下,Si含量为4wt%、6wt%、10wt%的B4C复合材料的摩擦系数在整个试验过程中一直以较大的幅度波动,其波动范围为0.30.6,这主要是由于随着摩擦磨损的进行,润滑膜和氧化膜相互交替;Si含量为8wt%的B4C复合材料的摩擦系数曲线在整个试验过程比较平滑,其摩擦系数为0.2;且磨损率最低,为1.75109×10-6mm-3/N·m,这是由于在摩擦磨损过程中生成了H3BO3和Si（OH）4润滑膜。根据摩擦系数和磨损表面分析可知,纯B4C和含Si的B4C复合材料在室温下干磨损机理为摩擦化学反应和化学诱导断裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 c-BN 陶瓷研究进展
• 1.2.1 c-BN 的结构和性能
• 1.2.2 c-BN 的合成
• 1.2.3 c-BN 制品的研究进展
• 4C 陶瓷研究进展'>1.3 B₄C 陶瓷研究进展
• 4C 的结构'>1.3.1 B₄C 的结构
• 4C 的性能'>1.3.2 B₄C 的性能
• 1.3.3 碳化硼粉体的制备
• 1.3.4 碳化硼材料的致密化
• 1.3.5 碳化硼陶瓷复合材料
• 1.4 放电等离子烧结（SPS）研究进展
• 1.4.1 SPS 烧结原理
• 1.4.2 SPS 的特点
• 1.4.3 SPS 技术在材料制备中的应用
• 1.5 本论文研究目的、意义和内容
• 1.5.1 研究的目的及意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 试验原材料及研究方法
• 2.1 材料制备
• 2.1.1 原材料
• 2.1.2 试验材料的成分设计与制备
• 2.2 材料性能测试方法
• 2.2.1 致密度的测定
• 2.2.2 硬度
• 2.2.3 弯曲强度和弹性模量的测定
• 2.2.4 断裂韧性
• 2.3 材料组织结构分析方法
• 2.3.1 XRD 物相分析
• 2.3.2 扫描电镜（SEM）观察
• 2.4 磨损试验
• 2.4.1 试验准备与试验参数
• 2.4.2 摩擦系数的测定
• 2.4.3 磨损率的测定
• 2.4.4 磨面分析
• 第3章 c-BN/SiAlON 复合材料的制备及组织和性能
• 3.1 c-BN 的相转变
• 3.2 c-BN/Y-α-SiAlON 复合材料的制备及其组织与性能
• 3.2.1 c-BN/Y-α-SiAlON 复合材料的致密化过程
• 3.2.2 c-BN 含量及保温时间对组织结构的影响
• 3.2.3 c-BN 含量及保温时间对力学性能的影响
• 3.3 c-BN/Yb-α-SiAlON 复合材料的制备及其组织与性能
• 3.3.1 c-BN/Yb-α-SiAlON 复合材料的致密化过程
• 3.3.2 保温时间及c-BN 的粒径对复合材料的组织结构的影响
• 3.3.3 保温时间及c-BN 的粒径对复合材料力学性能的影响
• 3.4 c-BN/β-SiAlON 的制备及其组织和性能
• 3.4.1 c-BN/β-SiAlON 复合材料的致密化
• 3.4.2 c-BN 含量对c-BN/β-SiAlON 组织结构的影响
• 3.4.3 c-BN 含量对c-BN/β-SiAlON 力学性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 c-BN/SiAlON 复合材料的摩擦磨损研究
• 4.1 c-BN/α-SiAlON 复合材料的摩擦磨损研究
• 4.1.1 c-BN/Yb-α-SiAlON 复合材料的摩擦磨损性能
• 4.1.2 磨损表面显微结构分析
• 4.1.3 c-BN/Yb-α-SiAlON 复合材料的磨损机制
• 4.2 c-BN/β-SiAlON 复合材料的摩擦磨损研究
• 4.2.1 c-BN/β-SiAlON 复合材料的摩擦磨损性能
• 4.2.2 磨损表面显微结构分析
• 4.2.3 c-BN/β-SiAlON 复合材料的磨损机制
• 4.3 本章小结
• 4C 复合材料的组织和性能'>第5章 不同Si 含量的B₄C 复合材料的组织和性能
• 4C 复合材料的组织结构'>5.1 不同Si 含量的B₄C 复合材料的组织结构
• 5.1.1 物相分析
• 4C 复合材料的力学性能'>5.2 不同Si 含量的B₄C 复合材料的力学性能
• 5.3 固溶机理分析
• 4C 复合材料的烧结过程讨论'>5.4 不同Si 含量的B₄C 复合材料的烧结过程讨论
• 5.5 本章小结
• 4C 复合材料的摩擦磨损性能'>第6章 不同Si 含量的B₄C 复合材料的摩擦磨损性能
• 4C 复合材料的摩擦磨损性能'>6.1 不同Si 含量的B₄C 复合材料的摩擦磨损性能
• 4C 复合材料磨损表面显微结构分析'>6.2 不同Si 含量的B₄C 复合材料磨损表面显微结构分析
• 4C 复合材料的摩损机理'>6.3 不同Si 含量的B₄C 复合材料的摩损机理
• 4C 的磨损机理'>6.3.1 纯B₄C 的磨损机理
• 4C 复合材料的摩损机理'>6.3.2 含Si 的B₄C 复合材料的摩损机理
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢