添加劑對碳化硼陶瓷的燒結(jié)致密化與力學(xué)性能的影響.pdf

1、碳化硼是共價鍵極強(qiáng)的化合物。極強(qiáng)的共價鍵賦予了碳化硼陶瓷優(yōu)異的性能，如：超高的硬度(僅次于金剛石和立方氮化硼)和耐磨性、高熔點(diǎn)等。但是同時又降低了其燒結(jié)性能，增加了燒結(jié)致密化的難度。無壓燒結(jié)很難使碳化硼達(dá)到完全致密，即使采用熱壓或者熱等靜壓燒結(jié)，也需要非常高的溫度。添加燒結(jié)助劑可以有效地減低燒結(jié)溫度。本論文工作研究了三類通過不同方式引入的燒結(jié)添加劑對碳化硼陶瓷致密化和力學(xué)性能的影響。 球磨是結(jié)構(gòu)陶瓷制備工藝中常用的混料手段。由于

2、碳化硼的高硬度，在球磨過程中表面被磨損的球磨介質(zhì)往往以添加劑的方式引入到起始原料中，成為一種不可忽視的因素。然而，迄今為止，尚無關(guān)于由此引入的添加劑對碳化硼燒結(jié)和力學(xué)性能影響的研究報道。 本論文工作首先研究的是不同種類的球磨介質(zhì)引入的添加劑對碳化硼燒結(jié)性能和力學(xué)性能的影響。使用的球磨介質(zhì)材料有聚甲醛(POM)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)和氮化硅(Si3N4)。研究結(jié)果表明，三種無機(jī)材料磨球在混料過程中引入的添加劑使

3、碳化硼的燒結(jié)致密度提高明顯：使用Al2O3磨球的樣品相對密度達(dá)到98.9％，使用Si3N4磨球的樣品相對密度為97.9％，使用ZrO2磨球的樣品相對密度最小，但也達(dá)到了96.5％。而使用聚甲醛磨球的樣品的致密度基本與直接燒結(jié)碳化硼粉末得到的致密度相同，相對密度僅為91％。此外，ZrO2球磨的碳化硼燒結(jié)樣品的抗折強(qiáng)度在三種磨球情況下為最高，達(dá)到630MPa；Al2O3球磨的碳化硼樣品得到最大的彈性模量，為379GPa；Si3N4球磨的碳化

4、硼樣品則得到最好的硬度性能，其維氏硬度值為30GPa。采用聚甲醛為磨球材料對樣品的力學(xué)性能則沒有影響。 針對碳化硼粉料中存在的游離碳，分別采用兩種含硼量較多的硼化物作添加劑：SiB6和AlB2，研究了SiB6或AlB2二種不同添加劑含量對碳化硼陶瓷的燒結(jié)和力學(xué)性能的影響(相關(guān)工作未見報道)。以聚甲醛球作為球磨混料介質(zhì)，熱壓燒結(jié)制備直接添加2wt％和5wt％SiB6或AlB2的碳化硼陶瓷。研究結(jié)果表明：AlB2和SiB6都能有效地

5、促進(jìn)碳化硼的燒結(jié)致密化并且提高其力學(xué)性能。SiB6添加量為2wt％時，樣品的密度為2.515g/cm3，綜合力學(xué)性能最佳，抗折強(qiáng)度和維氏硬度分別為426MPa和31.2GPa。增加SiB6添加量為5wt％，上述性能反而有所下降。二種SiB6添加量都使碳化硼陶瓷的斷裂韌性達(dá)到3.2MPa·m1/2。AlB2添加劑的作用也與SiB6類似，但也有差別，SiB6提高的是陶瓷的抗折強(qiáng)度，而Al2B提高的是陶瓷的彈性模量。AlB2的添加量為2wt％

6、時，陶瓷的密度為2.52g/cm3，綜合力學(xué)性能也最佳，彈性模量和硬度分別達(dá)到了451GPa和30.9GPa。二種AlB2添加量都使碳化硼陶瓷的斷裂韌性達(dá)到3.2MPa·m1/2。最后嘗試采用化學(xué)沉淀的方法將添加劑均勻引入到碳化硼基體中。Al2O3對于碳化硼是一種有效的燒結(jié)助劑，但文獻(xiàn)中多是以機(jī)械混合的方式引入氧化鋁，并且沒有考慮球磨介質(zhì)在其中的影響。本論文工作以化學(xué)沉淀的方式將添加劑Al2O3引入到碳化硼起始粉料中，避開球磨帶來的影響

7、并將氧化鋁更均勻地分散在碳化硼基體中，進(jìn)而研究其對碳化硼燒結(jié)及力學(xué)性能的影響。將碳化硼粉末與氨水混合，并加入1wt％的PEI作為分散劑，制作成碳化硼粉末的懸浮液，然后把硝酸鋁溶液滴定到該碳化硼懸浮液中，滴定過程中PH值控制在9到10之間，借助沉淀反應(yīng)生成Al(OH)3，該沉淀產(chǎn)物會在加熱過程中分解成Al2O3，從而對碳化硼陶瓷的燒結(jié)和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。結(jié)果表明，此法引入Al2O3添加劑同樣能極大地促進(jìn)碳化硼的致密度。樣品的相對密度達(dá)到9