異質(zhì)模量層狀碳化硼復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及韌化機(jī)制研究.pdf

1、碳化硼以其高硬度、低密度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合性能，廣泛地用于裝甲材料、耐磨和自潤滑材料，切割研磨工具材料和屏蔽材料等領(lǐng)域。B4C作為陶瓷中最輕的硬質(zhì)材料，是非常理想的裝甲材料，特別是在飛機(jī)、坦克、艦船、車輛上關(guān)鍵部位的裝甲。但是傳統(tǒng)的B4C裝甲陶瓷，其韌性較差難以滿足工程需求，因此關(guān)于開展B4C陶瓷的強(qiáng)韌化研究有著重大的意義。
　　 本文基于仿生材料的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了異質(zhì)模量B4C層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，以B4C為硬質(zhì)相，BN及摻雜B

2、N為軟質(zhì)相的異質(zhì)模量層狀陶瓷體系。采用流延-疊層-熱壓燒結(jié)的方法制備了同質(zhì)模量B4C疊層陶瓷材料，異質(zhì)模量B4C/BN系層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。研究了B4C硬質(zhì)相流延成型工藝和BN軟質(zhì)相涂層工藝，分析了B4C流延漿料對B4C生坯性能的影響，確定了B4C合理的漿料組分和流延工藝條件。分析了不同疊層方式與B4C層狀陶瓷結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的關(guān)系，探討了同質(zhì)模量B4C疊層陶瓷，異質(zhì)模量B4C/BN系層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的室溫力學(xué)破壞過程中裂紋擴(kuò)展路徑，開裂方

3、式，載荷位移關(guān)系等，提出了材料的增韌機(jī)制。基于異質(zhì)模量B4C/BN層狀結(jié)構(gòu)，通過定義結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)約束失效的方法對B4C材料、預(yù)制裂紋三層B4C/BN層狀材料和異質(zhì)模量B4C/BN層狀復(fù)合材料的斷裂行為進(jìn)行有限元計(jì)算模擬。
　　 研究結(jié)果表明：采用流延-疊層-熱壓燒結(jié)的成型方法制備了同質(zhì)模量B4C疊層陶瓷材料，垂直層面方向沒有分層現(xiàn)象，均勻且致密，相對密度為96.0％，抗彎強(qiáng)度達(dá)到585MPa，斷裂韌性為4.8 MPa·m1/2，

4、其性能高于同種原料傳統(tǒng)粉末冶金方法制備的B4C陶瓷材料。
　　 異質(zhì)模量B4C/BN層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，硬軟質(zhì)層層厚比為5.7時(shí)，抗彎強(qiáng)度為468MPa，斷裂韌性達(dá)到5.5 MPa·m1/2，斷裂功為2398J/m2。軟質(zhì)層BN中加入B4C和Al2O3都能提高B4C/BN層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的韌性。當(dāng)軟質(zhì)層BN中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的B4C時(shí)，抗彎強(qiáng)度達(dá)到420MPa，斷裂韌性達(dá)到6.5 MPa·m1/2，斷裂功為3248J/m2(

5、接近于同質(zhì)模量B4C陶瓷材料斷裂功的3倍)。當(dāng)軟質(zhì)層BN'中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Al2O3時(shí)，其抗彎強(qiáng)度達(dá)到471MPa，斷裂韌性達(dá)到7.3MPa.m1/2，斷裂功為3071J/m2。
　　 對異質(zhì)模量B4C/BN層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料微觀斷裂的分析表明其增韌機(jī)制在于裂紋在軟質(zhì)相中的偏轉(zhuǎn)和分叉，基體片層間的橋連和摩擦拔出，這些過程均消耗了大量的斷裂能，從而提高了材料的韌性和裂紋損傷容限的能力。
　　 對同質(zhì)模量B4C材料、三