反应烧结碳化硼工艺及性能研究

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碳化硼(B4C)是一种重要的工程材料,具有高硬度、高熔点、低密度、低膨胀系数、化学性能稳定等优点。但是B4C是典型的共价键化合物,高温扩散系数小,是一种极难烧结的陶瓷材料。本文采用反应烧结工艺制备B4C陶瓷材料。探究碳密度、成形压力、第二相(TiC、TiO2)对陶瓷性能的影响。应用XRD、SEM、EDS等分析手段,以及显微压痕、三点弯曲等试验方法,研究工艺参数对陶瓷材料的组织结构、力学性能、断裂行为的影响规律。得出以下结论:(1)随着成型压力的增加,坯体相对密度和烧结体致密度随之增长。当成型压力为300MPa,且坯体的碳密度为0.5g/cm3时,采用反应烧结法制备的B4C陶瓷材料达到了弯曲强度的最大值为243MPa。(2)在粉末中添加TiC的反应烧结B4C陶瓷材料物相组成为B4C、SiC、Si以及TiC。随着TiC含量的增加,B4C陶瓷材料的开口气孔率增大;陶瓷材料的硬度和弯曲强度则是先增加而后又减小。当TiC含量达到1wt%时,陶瓷材料的维氏硬度得到最大值(2948HV0.5);当TiC含量达到5wt%时,陶瓷材料得到最大的弯曲强度值(265MPa)。断口形貌分析表明,随着TiC含量增加,材料的主要断裂方式从穿晶断裂为主向沿晶断裂转变。(3)添加TiO2的反应烧结B4C陶瓷材料物相组成为B4C、SiC、Si以及TiB2。随着TiO2颗粒含量的提高,烧结体游离Si含量减小,B4C和SiC含量基本保持不变,TiB2含量增加。随着TiO2含量的增加,反应烧结B4C陶瓷材料的开口气孔率处于增大的趋势,而陶瓷材料的硬度是先增加而后减小的趋势。当TiO2含量达到8wt%时,达到了洛氏硬度的最大值为84。当TiO2含量大于8wt%时,反应烧结B4C陶瓷材料洛氏硬度下降。对于反应烧结B4C陶瓷材料的弯曲强度也是随着TiO2含量先增加后减小的趋势。当TiO2含量达到8wt%时,取得弯曲强度最大值为269MPa。通过SEM对含量为8wt%TiO2反应烧结B4C陶瓷材料裂纹形貌进行分析。陶瓷材料存在穿晶断裂和沿晶断裂。TiB2、SiC、B4C、和游离Si热膨胀系数不匹配,使得传播到TiB2、SiC、B4C、和游离Si界面时,裂纹趋于沿晶断裂,使得材料韧性增强。
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