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碳化硼(B4C)具有高熔点、高硬度、低密度、高耐磨性、化学稳定性好等特点,但是碳化硼的低断裂韧性限制了它的推广和应用,因此提高碳化硼的韧性是一个重要研究方向。本文以提高碳化硼的韧性为目标,通过无压浸渗法制备轻质、高韧B4C/Al复合材料,对碳化硼多孔陶瓷骨架的制备工艺、无压浸渗工艺、热处理工艺进行了研究,并探索运用碳纤维增韧B4C/Al复合材料的工艺。使用金相显微镜、SEM、XRD等手段,分析材料的显微组织,并对材料的硬度、抗压强度、弯曲强度及断裂韧性等力学性能进行了研究。
研究表明,在60MPa的模压压力下保压2分钟,再在1600℃下进行lh的真空烧结可以获得孔隙率在30%~35%间的碳化硼骨架,其在浸渗后能够获得性能优异的复合材料。
B4C/Al复合材料的相组成为B4C、Al、Al3BC、AlB2,热处理后其相组成不变。定量分析结果表明,B4C和Al的含量明显减少,而Al3BC相、AlB2相的含量有了大幅度提高。碳纤维增韧B4C/Al复合材料中的物相为B4C、Al3BC、AlB2和Al,热处理后其相组成为B4C、Al、AlB2、Al3BC、B13C2。定量分析表明,AlB2、Al3BC、B4C、Al相的含量均减少,其中Al相的降幅剧烈,而生成的Bl3C2相含量约40wt.%。热处理前,Al3BC相主要存在于B4C相与Al相之间,Al3BC相、AlB2相、Al相多以条状的形式存在于B4C基体中,并且呈现连续分布的特点。热处理后,金相组织中条状组织明显减少。
试验制得的B4C/Al复合材料的断裂韧性能够达到7.91MPa·m1/2,而2.5wt.%碳纤维含量的碳纤维增韧B4C/Al复合材料的断裂韧性达到了9.58MPa·m1/2。这两种复合材料均改善了碳化硼的韧性,使用碳纤维增韧后,其改善状况更为显著。热处理后,两种复合材料的断裂韧性均下降,而碳纤维增韧B4C/Al复合材料的降低幅度大。而复合材料的硬度和抗压强度在热处理后增大。从提高材料的韧性角度分析,碳纤维增韧B4C/Al复合材料可以不进行热处理,从而保持该材料的高韧性;而B4C/Al复合材料可以进行热处理以提高其硬度和抗压强度。