摻CeO2和B4C與B4C-AI材料力學(xué)性能和顯微組織的研究.pdf

1、碳化硼具有優(yōu)異的綜合性能，低密度、高的化學(xué)穩(wěn)定性以及高的耐磨性，廣泛應(yīng)用于電子、宇航和軍事以及其它高科技領(lǐng)域。但是碳化硼在性能方面有一個致命的缺點，即，單一碳化硼材料的斷裂韌性很低，只能達到2～3MPa.m1/2，極大地限制了碳化硼材料的應(yīng)用。針對這一問題，文中研究了氧化鈰對熱壓燒結(jié)碳化硼和鋁復(fù)合碳化硼材料力學(xué)性能和顯微組織的影響進行了研究。
　　 為增強單一碳化硼材料的韌性，采用浸滲鋁的方法制備了CeO2/B4C/Al復(fù)合材料

2、。CeO2/B4C/Al復(fù)合材料結(jié)合了鋁金屬與碳化硼陶瓷的優(yōu)良性能，彌補了鋁金屬硬度不足和碳化硼陶瓷脆性過大的缺陷。
　　 采用XRD和TG-DTA方法對B4C與Al在添加劑CeO2作用下的高溫化學(xué)反應(yīng)過程進行了研究。研究結(jié)果表明：Al3BC和AlB2是較低溫度下的反應(yīng)產(chǎn)物，是在625～690℃溫度區(qū)間反應(yīng)生成的。AlB12C2相是在1320～1350℃溫度區(qū)間反應(yīng)生成的，同時生成了Al3BC和AlB2。此外，向B4C中添加稀土

3、氧化物，原位生成稀土硼化物能大大提高其強度和韌性。
　　 采用顯微壓痕、三點彎曲、單邊切口梁等實驗方法測試了復(fù)合材料的力學(xué)性能，通過XRD、SEM以及TEM等現(xiàn)代分析測試技術(shù)對CeO2/B4C/Al復(fù)合材料的組織形貌、斷口形貌和相組成進行了分析。研究結(jié)果表明：CeO2/B4C/Al復(fù)合材料斷裂韌性提高了75.27％，經(jīng)無壓浸滲制得的CeO2/B4C/Al復(fù)合材料具有較為均勻、致密的組織。從CeO2/B4C/Al復(fù)合材料斷口形貌確

4、定了其斷裂方式主要是以沿晶斷裂為主，同時有沿陶瓷骨架的穿晶斷裂，鋁金屬起到增韌的作用。在CeO2/B4C/Al復(fù)合材料中，最主要的增韌方式為金屬增韌，在浸滲的過程中，鋁和碳化硼反應(yīng)生成了Al3BC，填充了碳化硼顆粒之間的空隙，提高了界面處的結(jié)合強度。通過透射電鏡還分析了CeO2/B4C/Al復(fù)合材料中的組織缺陷，材料在燒結(jié)過程中產(chǎn)生高密度的片層孿晶結(jié)構(gòu)，在透射電鏡下呈直線，孿晶沿(111)面生成。
　　 在保障碳化硼材料硬度不降

5、低的前提下，為了提高其韌性，向碳化硼中添加氧化鈰，熱壓燒結(jié)制備了CeO2/B4C陶瓷材料。SEM研究發(fā)現(xiàn)，隨著氧化鈰添加量的增加，碳化硼燒結(jié)制品的微觀組織發(fā)生了較大的變化，最明顯的變化是氣孔率大幅度降低，沒有出現(xiàn)明顯的晶粒長大現(xiàn)象。阿基米德法研究發(fā)現(xiàn)，CeO2/B4C陶瓷材料的密度逐漸變大，其燒結(jié)的實際密度均能達到理論密度的96％以上，其中最高的可以達到理論密度的96.9％。力學(xué)測試證明，添加2％CeO2熱壓燒結(jié)B4C材料在硬度為37.

6、59GPa時，斷裂韌性達到了5.30MPa·m1/2，比單一熱壓燒結(jié)B4C材料的斷裂韌性提高了44％。XRD實驗發(fā)現(xiàn)在燒結(jié)過程中B4C和CeO2在高溫下生成了CeB6，通過熱力學(xué)計算明確了生成CeB6的反應(yīng)溫度為1417℃，化學(xué)反應(yīng)方程式是：3B4C+2CeO2+C=2CeB6+4CO。原位生成的稀土硼化物對碳化硼材料斷裂韌性的提高起了主要作用，基體B4C和第二相CeB6顆粒熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋偏轉(zhuǎn)和繞道是主要的增韌