六方氮化硼基復合陶瓷燃燒合成機理與工藝研究.pdf

1、六方氮化硼（hexagonal boron nitride，h-BN）是一種優(yōu)良的高性能結(jié)構(gòu)陶瓷?，F(xiàn)代科學技術的發(fā)展對陶瓷的低成本、高性能更提出高要求。本文以價格相對低廉的B4C為B源，以Si和Ti為還原劑，在高壓氮氣環(huán)境中采用燃燒合成-熱等靜壓方法，低成本制備出性能優(yōu)良的h-BN基復合陶瓷。由于h-BN陶瓷的低彈性模量、熱膨脹系數(shù)和高的熱導率，該體系的結(jié)構(gòu)陶瓷具有優(yōu)良的耐腐蝕性以及抗熱震性能。
　　首先對B4C-Si-N2體系進

2、行了熱力學和動力學分析，研究了該體系的反應機理，分析了毛坯致密度、反應氮氣壓力和稀釋劑對反應過程和產(chǎn)物性能的影響。研究表明，隨反應氮氣壓力增加，致密化作用增強，產(chǎn)物相對密度提高，力學性能大幅提高，但120MPa氮氣壓力下有Si3N4相生成；隨毛坯相對密度的提高，產(chǎn)物致密度先升高后降低，在毛坯致密度52.3％有最大值，其原因是過高的毛坯致密度提高了氮氣的滲透阻力，導致反應不完全；稀釋劑SiC、BN的加入降低了反應溫度、反應速度和燒結(jié)性能。

3、同時加入的稀釋劑沒有反應原位合成生成的BN和SiC結(jié)合強度高，因此產(chǎn)物的性能降低。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，在毛坯致密度52.3%，100MPa反應氮氣壓力條件下，制備了抗彎強度83.3MPa，斷裂韌性1.96MPa·m1/2的h-BN-SiC復合陶瓷。
　　然后對B4C-Ti-N2體系進行熱力學分析，實驗研究了Ti含量對反應和產(chǎn)物組織性能的影響。隨著原料中B4C/Ti從1/1變化到1/4，產(chǎn)物的抗彎強度和斷裂韌性分別從42MPa和0.7

4、MPa·m1/2提高到67MPa和1.1MPa·m1/2，產(chǎn)物力學性能提高的原因為產(chǎn)物中Ti(C,N)相氮含量增加。而且由于氮氣滲透阻力小，產(chǎn)物表面Ti(C,N)相的N含量高于產(chǎn)物內(nèi)部Ti(C,N)相的N含量。上述兩個反應體系的實驗結(jié)果表明，B4C-Si-N2體系的產(chǎn)物致密度較高，性能較B4C-Ti-N2體系好，其原因主要由于Si的熔點(1410℃)小于Ti(1668℃)的熔點，液相燒結(jié)較為明顯。
　　通過引入液相燒結(jié)作用明顯、綜

5、合力學性能優(yōu)良的Al-TiB2-N2體系，結(jié)合B4C-Si-N2體系，通過燃燒合成制備了h-BN-AlN基復合陶瓷。產(chǎn)物致密度和綜合力學性能有較大提高，但反應過程中TiB2在高溫高壓氮氣下部分分解氮化，造成產(chǎn)物組織結(jié)構(gòu)不均勻。因而用熱穩(wěn)定性較好的TiN取代TiB2，在100MPa高壓氮氣下通過燃燒合成制備了組織均勻h-BN-AlN基復合陶瓷。實驗研究結(jié)果表明，AlN-TiN體積含量對h-BN-AlN陶瓷復合材料力學性能有關鍵影響：當Al

6、N-TiN體積含量低于50%，AlN相含量少，沒有形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，材料的強度以 h-BN相的強度為主導，斷裂方式主要為沿晶斷裂。而 AlN-TiN體積含量高于50%時，AlN相已經(jīng)形成了連續(xù)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)物的抗彎強度和斷裂韌性顯著提高，在AlN-TiN體積含量70%時，達到274MPa和5.1MPa·m1/2。產(chǎn)物的斷裂主要是AlN穿晶斷裂為主。
　　通過對AlN-TiN體積含量為30%、50%和70%的h-BN-AlN基復合陶瓷的熱震試

7、驗表明，h-BN-AlN基復合陶瓷的抗熱震性能優(yōu)異。在h-BN相含量高于50%時，h-BN為基體相，h-BN的高熱導率、低熱膨脹系數(shù)和彈性模量使材料的抗熱震性能優(yōu)異。AlN-TiN含量30vol%和50vol%在1200℃殘余強度分別為原始強度的67%和32.5%，熱震溫差(△T)分別達1000℃和700℃。主要原因是低強度片層狀的h-BN在產(chǎn)物中相當于微裂紋，起到緩解熱應力作用，加上均勻分布的TiN顆粒彌散強化作用，材料的熱震溫差(△

8、T)在AlN-TiN含量70vol%仍高達800℃。
　　最后對以B2O3為B源，Mg和Al為還原劑，在高壓N2中燃燒合成非導電h-BN-MgO和h-BN-Al2O3進行了初步研究。研究表明B2O3-Mg/Al在高壓氮氣中劇烈反應生成h-BN-MgO和h-BN-Al2O3復合陶瓷，反應基本過程是Mg/Al和B2O3發(fā)生置換反應生成MgO/Al2O3，置換出的B和氮氣反應生成BN。但產(chǎn)物中分別有少量硼酸鎂(3MgO·B2O3)和硼酸