核壳结构碳化硼粉末的制备及复合材料的性能研究
发布时间：2020-08-02 19:04
【摘要】：集低密度、低摩擦系数、高硬度、高模量、高熔点、良好的耐酸碱性以及优异的中子吸收性能于一体的碳化硼(B_4C)陶瓷是一种重要的工程材料,被作为轻质装甲材料、耐磨喷嘴、砂轮和中子屏蔽材料广泛应用于机械、化学、军工等诸多领域。但是,B_4C陶瓷是共价键占90%以上的陶瓷材料,晶界移动阻力大,致使其是一种极难烧结的工程材料,且成品具有较低的断裂韧性,难以满足工程应用的需求,这极大的限制了B_4C陶瓷的应用。为了降低碳化硼陶瓷的烧结温度并且提高其性能,本文采用熔盐法代替传统的球磨混料,将第二相均匀包裹于B_4C颗粒表面,结合相图研究了包裹B_4C粉末的制备工艺、制品的物相组成及性能,并对显微结构进行了分析。本文以B_4C、钛(Ti)和铝(Al)粉末为原料,采用氯化钠(NaCl)/氯化钾(KCl)作为熔盐介质,经高温在B_4C颗粒表面原位包裹第二相,之后通过脉冲电流烧结设备(PECS)在1700°C烧结,成功制备出B_4C-Al_3BC和B_4C-TiB_2复合材料,并对物相、微观结构和性能进行表征与测试。结果表明:合理的控制原料配比、粉末制备温度和保温时间对第二相组成及分布有重要的影响。采用粉末衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对制备的粉末进行表征,发现:Al与B_4C的润湿性在1100°C以下很差,最终产物中始终有残余的Al存在,且原位生成的Al_3BC以细小(3μm)的颗粒状形貌在B_4C颗粒表面成核生长。Ti与B_4C在1000°C时具有良好的润湿性,最终产物中没有残留的Ti,原位生成的第二相-TiCTiB_2均匀包裹于B_4C颗粒表面,形成核壳结构粉体。对烧结的复合材料进行性能测试表明:B_4C@18 wt.%Al_3BC粉末在1700?C可以接近完全致密,且弹性模量为495 GPa,硬度为37.0 GPa,断裂韧性为6.32MPa·m~(1/2)。B_4C@TiCTiB_2核壳结构粉末在1700?C烧结制备的B_4C-29.8vol%TiB_2复合材料可以达到理论密度的98.2%,弹性模量为515.6 GPa,硬度为32.1GPa,断裂韧性为4.38 MPa·m~(1/2),电导率为4.06×10~5 S/m,热导率为33 W/mK。包裹于B_4C颗粒表面的Al_3BC和TiCTiB_2会在PECS烧结过程中分别转变为其它含Al的化合物和TiB_2,这些化合物分布于B_4C晶界处,因为热膨胀系数的差别,会在界面处产生微裂纹,形成弱界面,裂纹扩展到界面处会产生偏转,断裂模式由单一的穿晶断裂转变为穿晶—沿晶混合断裂模式,断裂韧性大幅提高。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TQ174.1
【图文】：
图 1.1 碳化硼晶体结构[8]Figure 1.1 The crystal structure of boron carbide[8]相图的研究碳化硼的晶体结构，研究 B-C 二元相图是最好 1.2 所示[8]。截止目前，B-C 组成化合物的数量高达 富硼的 B12C 以及在此范围内的其他固溶相，但是较，其中碳含量在 8.8 at%-20.0 at%范围内变化。Elliott[1.2 at%)，该相的熔点在 2450 °C。从图中可以看出，硼根据相图规律，与碳化硼存在一个最低共熔点 2075 °at%，符合 B4C 的化学计量比。Schwetz 等人研究发现化硼熔融状态下和石墨达到平衡时的化学式为 B4.3C，
Figure 1.1 The crystal structure of boron carbide[8]相图的研究碳化硼的晶体结构，研究 B-C 二元相图是最好 1.2 所示[8]。截止目前，B-C 组成化合物的数量高达 富硼的 B12C 以及在此范围内的其他固溶相，但是较，其中碳含量在 8.8 at%-20.0 at%范围内变化。Elliott[1.2 at%)，该相的熔点在 2450 °C。从图中可以看出，硼根据相图规律，与碳化硼存在一个最低共熔点 2075 °at%，符合 B4C 的化学计量比。Schwetz 等人研究发现化硼熔融状态下和石墨达到平衡时的化学式为 B4.3C，熔点，大约在 2375 °C。从图 1.2 可以看出，碳含量的化学式由 B10.5C 变为到 B4C[14]。
7、AlB24C4等[51-53]，其中 Al3BC 在名为 X 相[54]。Viala 等人[55]通过 X体结构属六方晶系，对应的晶胞参eyer 和 Hillebrecht[56]合成了纯的 A层[BAl6]八面体和[CAl5]三角双锥种材料具有优良的导电性能，类似温稳定性，并报道了 Al3BC 在 1.Wang 等人[58]计算了 Al3BC 的模量0 GPa 和杨氏模量为 326 GPa。因此料，与其他的增强相材料（SiC、度（2.83 g/cm3），更接近 B4C 的密发生分层或团聚现象，有利于增强性能，用于军工领域。
本文编号：2778929
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TQ174.1
【图文】：
图 1.1 碳化硼晶体结构[8]Figure 1.1 The crystal structure of boron carbide[8]相图的研究碳化硼的晶体结构，研究 B-C 二元相图是最好 1.2 所示[8]。截止目前，B-C 组成化合物的数量高达 富硼的 B12C 以及在此范围内的其他固溶相，但是较，其中碳含量在 8.8 at%-20.0 at%范围内变化。Elliott[1.2 at%)，该相的熔点在 2450 °C。从图中可以看出，硼根据相图规律，与碳化硼存在一个最低共熔点 2075 °at%，符合 B4C 的化学计量比。Schwetz 等人研究发现化硼熔融状态下和石墨达到平衡时的化学式为 B4.3C，
Figure 1.1 The crystal structure of boron carbide[8]相图的研究碳化硼的晶体结构，研究 B-C 二元相图是最好 1.2 所示[8]。截止目前，B-C 组成化合物的数量高达 富硼的 B12C 以及在此范围内的其他固溶相，但是较，其中碳含量在 8.8 at%-20.0 at%范围内变化。Elliott[1.2 at%)，该相的熔点在 2450 °C。从图中可以看出，硼根据相图规律，与碳化硼存在一个最低共熔点 2075 °at%，符合 B4C 的化学计量比。Schwetz 等人研究发现化硼熔融状态下和石墨达到平衡时的化学式为 B4.3C，熔点，大约在 2375 °C。从图 1.2 可以看出，碳含量的化学式由 B10.5C 变为到 B4C[14]。
7、AlB24C4等[51-53]，其中 Al3BC 在名为 X 相[54]。Viala 等人[55]通过 X体结构属六方晶系，对应的晶胞参eyer 和 Hillebrecht[56]合成了纯的 A层[BAl6]八面体和[CAl5]三角双锥种材料具有优良的导电性能，类似温稳定性，并报道了 Al3BC 在 1.Wang 等人[58]计算了 Al3BC 的模量0 GPa 和杨氏模量为 326 GPa。因此料，与其他的增强相材料（SiC、度（2.83 g/cm3），更接近 B4C 的密发生分层或团聚现象，有利于增强性能，用于军工领域。
【参考文献】
相关期刊论文 前8条
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本文编号：2778929
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