【摘 要】
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新兴陶瓷材料的崛起,使得陶瓷材料的研究和应用引起了广泛的关注。作为硬度值第三的超硬碳化硼(B4C)陶瓷,因其低密度、高硬度、高熔点、优异的化学稳定性以及良好的中子吸收界面等特点,可以在磨料切割、涂层材料、轻型装甲及控制核裂变等方面得到广泛应用。然而,由于碳化硼陶瓷的高杨氏模量高以及低断裂韧性等特性,难以实现高致密度烧结,极大地限制了其应用范围。本论文采用放电等离子体烧结法(SPS)和高压高温法(H
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新兴陶瓷材料的崛起,使得陶瓷材料的研究和应用引起了广泛的关注。作为硬度值第三的超硬碳化硼(B4C)陶瓷,因其低密度、高硬度、高熔点、优异的化学稳定性以及良好的中子吸收界面等特点,可以在磨料切割、涂层材料、轻型装甲及控制核裂变等方面得到广泛应用。然而,由于碳化硼陶瓷的高杨氏模量高以及低断裂韧性等特性,难以实现高致密度烧结,极大地限制了其应用范围。本论文采用放电等离子体烧结法(SPS)和高压高温法(HPHT)两种制备方法,开展碳化硼复合陶瓷材料地制备和性能研究,旨在提高其力学及电学性能,研究的主要内容如下:(1)放电等离子体烧结法烧结碳化硼陶瓷复合材料制备及性能研究采用放电等离子体烧结法,在碳化硼陶瓷中掺杂二氢化钛(Ti H2)反应制备B4C+X wt%Ti H2(X=0,5,10,15和20)复合陶瓷材料。探索不同烧结温度和Ti H2的掺杂量对复合陶瓷材料的致密性、显微形貌、力学特性和电学特性的影响。将碳化硼粉末与(0-20)wt%的Ti H2粉末混合,在50 MPa的轴向压力下,分别从1400℃至1800℃烧结并保温20分钟。实验的结果显示,提高烧结温度,复合陶瓷材料密度也随之增大,样品致密化程度也越高。随着Ti H2添加含量的增加,B4C基体和Ti H2反应生成的二硼化钛(Ti B2)也增加,可以有效改善碳化硼复合陶瓷材料的杨氏模量和断裂韧性,也可以提高其导电性能。当Ti H2掺杂量为20 wt%,在1800℃烧结时,碳化硼复合陶瓷材料的力学性能最好,致密度达99.9±0.1%,维氏硬度值达31.8 GPa,断裂韧性达8.5 MPa.m1/2,电导率达114.9S/cm。(2)高温高压法烧结碳化硼陶瓷复合材料制备及性能研究通过高温高压法,在碳化硼中掺杂金刚石单晶粉末制备B4C+Y vol%Diamond(Y=0,10,20)复合陶瓷材料。探索不同烧结温度和金刚石添加量对复合陶瓷材料的致密性、显微组织、力学性能和电学性能的影响。将碳化硼粉末与(0-20)vol%的微米金刚石粉末混合,在5 GPa压力下,分别从1200℃至1600℃烧结并保温10分钟。实验结果显示,随着烧结温度的提高,复合陶瓷材料的密度增大,样品更加致密化,且杨氏模量及断裂韧性均有所提高。随着金刚石添加量的增加,B4C+Diamond复合陶瓷材料的硬度、杨氏模量、断裂韧性及导电性能均有提高。当金刚石含量为20 vol%时,烧结温度为1600℃时,碳化硼复合陶瓷材料的力学性能最佳,致密度可达99.9±0.1%,维氏硬度为41.2 GPa;在1400℃的烧结温度时,电导率值最高,可达7.0 S/cm。在金刚石含量为10 vol%时,1600℃烧结后的样品,断裂韧性最高为29.2 MPa.m1/2。
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