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碳化硼因其密度低(2.5g/cm3)、硬度高(仅次于金刚石和立方氮化硼)和良好的中子吸收能力等优点而备受关注。但是单一碳化硼陶瓷材料有两个明显弱点:(1)碳化硼陶瓷的断裂韧度很低(Kic<2.2MPa·m1/2);(2)原子间以牢固的共价键连接,共价键含量高达93.9%,很难烧结致密。为了改善碳化硼陶瓷材料的性能,研究者对碳化硼-其他陶瓷、碳化硼-金属、碳化硼-纤维等陶瓷复合材料开展了大量研究。其中B4C/Al复合材料由于轻质、高致密度等优点备受研究人员关注。
本文通过在碳化硼中掺杂不同配比的陶瓷颗粒(SiC或TiO2),并调整造粒成型、无压烧结工艺,制备出具有适当孔隙率和高抗压强度的陶瓷骨架;然后,通过调整复合陶瓷骨架和铝液之间的无压浸渗工艺,获得轻质、高抗压强度和低缺陷的金属陶瓷复合材料。论文中研究了不同配比的B4C-SiC(TiB2)/Al复合材料的制备过程,并讨论了制备工艺参数对复合材料的组织和主要力学性能的影响。
研究发现,在SiC质量分数占原始陶瓷物料5%~15%之间的B4C-SiC预烧体的烧结温度大幅度降低,获得的B4C-SiC预烧体陶瓷颗粒间结合力强、抗压强度高,尤以SiC质量分数占原始陶瓷物料10%的预烧体的抗压强度最高;且该预烧体经过铝液浸渗后所得到的B4C-SiC/Al复合材料的硬度值、抗弯强度和抗压强度最高,具有轻质、高致密度的特点,断裂韧度、抗弯强度相较于B4C/Al也有所提高。在对复合材料进行断口分析时发现,断口上有明显的撕裂痕、韧窝存在,也有颗粒剥落留下的凹坑,部分地方的断口成冰糖状。
通过原始陶瓷物料中B4C颗粒与TiO2颗粒发生原位反应,生成附着于B4C颗粒表面的TiB2并形成含B33.82C6的富B区域,在降低复合陶瓷烧结温度的同时提高预烧体的抗压强度。随着原始陶瓷物料中TiO2加入量的增加,B4C-TiB2/Al复合材料的综合力学性能也得到提高,尤以TiO2质量分数占原始陶瓷物料30%的预烧体抗压强度最高,该预烧体经过铝液浸渗后所得到的B4C-TiB2/Al复合材料的硬度、抗弯强度和抗压强度最高,具有轻质、高致密度的特点,断裂韧度、抗弯强度相较于B4C/Al有显著提高。