水基流延成型和热压烧结制备TiB 2 /B 4 C-BNNTs层状陶瓷复合材料的研究
发布时间：2021-07-18 20:46
以二硼化钛（TiB2）为硬夹层,硅（Si）粉为基体层碳化硼（B4C）的烧结助剂,氮化硼纳米管（BNNTs）为基体层的补强增韧剂,聚乙烯亚胺（PEI）为分散剂,羧甲基纤维素钠（CMC）为粘结剂,甘油为增塑剂,采用水基流延成型工艺制备TiB2流延膜。研究了分散剂含量、粘结剂含量、增塑剂与粘结剂质量比值（R值）以及固相含量对TiB2流延浆料流变性的影响。实验结果表明:当PEI含量为2wt.%,CMC含量为5wt.%,R值为0.9,固含量为55 wt.%时可制备出高质量的TiB2流延膜。与本实验室已制备的B4C-BNNTS流延膜以不同层厚比进行叠层、热压烧结制备出TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料。实验结果表明:当基体层与硬夹层的层厚比为1.8:1时,预制体于2040℃、30 MPa下热压烧结30 min制备的TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的力学性能最佳,其抗弯强度和断裂韧性...
【文章来源】：陶瓷学报. 2016,37(06)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
样品的断面SEFig.3TheSEMimagesandenergys(a)and(b)TiB2/B4C-BNNTssectionmorphology;(c)B4C-BNNTslayTiB2tape
·660·2016年12月2.3层厚比对TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料力学性能的影响表1是TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的层厚比与力学性能的关系。由表1可知，当基体层与硬夹层厚度比为1.8:1时，样品的抗弯强度和断裂韧性达到最大，分别为598.63MPa和7.84MPa·m1/2。图3样品的断面SEM照片和能谱图Fig.3TheSEMimagesandenergyspectrumofthefractureofsample(a)and(b)TiB2/B4C-BNNTssectionmorphology;(c)B4C-BNNTslayer;(d)TiB2layer;(e)interface;(f)theEDSoftheregionoffractureB4C的热膨胀系数为4.5×10-6/℃、TiB2的热膨胀系数为8.1×10-6/℃，由于两者的热膨胀系数相差较大，在热压烧结由高温冷却到常温过程中，层状复合陶瓷基体层中存在较大压应力。通过调节层厚比，使基体层(表层)产生合适的压应力，有助于提高基体层的裂纹的扩展阻力，增大临界图1工艺条件对浆料流变性的影响Fig.1Theinfluenceoftheprocessconditionsontherheologicalpropertiesofslurry(a)dispersantPEI;(b)binderCMC;(c)Rvalue;(d)solidcontent-2002040608010012014016018012345678Viscosity(aPs)Shearrate(s-1)1wt.%1.5wt.%2wt.%2.5wt.%3wt.%(a)-20020406080100120140160180012345678Vsicostyi(aPs)Shearrate(s-1)1wt.%(Cracking)3wt.%(Lowintensity,fracture)5wt.%7wt.%9wt.%(b)-2002040608010012014016018001234567Viscosity(aPs)Shearrate(s-1)0.7(Verybrittle)0.8(Brittle)0.9(Easystrippingandcutting)1.0(Ductile)1.1(c)
·661·第37卷第6期图2流延膜的宏观和微观形貌照片Fig.2ThephotosandSEMimagesofthetapes(a)photos;(b)TiB2fracture;(c)B4C-BNNTsfracture表1TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的层厚比与力学性能的关系Tab.1TherelationbetweenthicknessratioandmechanicalpropertiesofTiB2/B4C-BNNTs裂纹尺寸。此外，当裂纹扩展到应力场存在的强界面时，裂纹尖端将发生偏转。这都将提高TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的抗弯强度和断裂韧性。2.4TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的显微结构分析图3为基体层B4C-BNNTs与硬夹层TiB2层厚比为1.8:1时样品的断面SEM照片和能谱图。由图3(a)可知，基体层与夹层交替排列，厚度均匀，界限清晰。由图3(b)可知，裂纹在强界面处发生偏转。由图3(c)、(d)可知，基层和夹层的致密度均较高，晶粒基本融合。由图3(e)可知，B4C晶粒与TiB2晶粒在界面处有互相嵌入，这有利于界面结合，维持层间的内应力。由图3(f)可知，面扫描能谱图中主峰为Ti元素峰，还有微弱的W元素的峰，经分析为WC球磨子引入W元素，WC对样品的烧结和力Thicknessratio(HB/HT)Flexuralstrength(MPa)Fracturetoughness(MPa·m1/2)0.9/1625.567.131.8/1598.637.842.7/1547.677.023.6/1510.726.384.5/1487.155.77(a)(b)(c)(d)(e)(f)学性能有一定促进作用[16]。3结论(1)当PEI含量为2wt.%，CMC含量为5wt.%，R值为0.9，固含量为55wt.%时可制备出高质量的TiB2流延膜。(2)当B4C-BNNTs与TiB2的层厚比为1.8:1，样品于2040℃、30MPa下热压烧结30min，制备出TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料，其抗弯强度和断裂韧性分别为598.63MPa和7.84MPa·m1/2。
【参考文献】：
期刊论文
[1]烧结温度对BNNTs/B4C陶瓷复合材料显微结构与力学性能的影响[J]. 曾小军,刘维良,冯震乾,阮杰平. 中国陶瓷. 2014(08)
[2]氮化硼纳米管的高效制备及其表征[J]. 班晓磊,刘维良,武安华,曾小军,徐军. 人工晶体学报. 2013(06)
[3]增塑剂对改性纤维素膜性能的影响及其机理研究[J]. 赵力超,彭志妮,游曼洁,刘欣,陈永泉. 食品科学. 2010(01)
[4]WC/Co-B4C复合材料的组织结构及力学性能[J]. 李世波,温广武,张宝生. 金属学报. 2001(06)
[5]氧化铝/ZTA强夹层层状复合陶瓷的制备和性能[J]. 丁新更,葛曼珍,杨辉. 硅酸盐通报. 2000(01)
本文编号：3290333
【文章来源】：陶瓷学报. 2016,37(06)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
样品的断面SEFig.3TheSEMimagesandenergys(a)and(b)TiB2/B4C-BNNTssectionmorphology;(c)B4C-BNNTslayTiB2tape
·660·2016年12月2.3层厚比对TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料力学性能的影响表1是TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的层厚比与力学性能的关系。由表1可知，当基体层与硬夹层厚度比为1.8:1时，样品的抗弯强度和断裂韧性达到最大，分别为598.63MPa和7.84MPa·m1/2。图3样品的断面SEM照片和能谱图Fig.3TheSEMimagesandenergyspectrumofthefractureofsample(a)and(b)TiB2/B4C-BNNTssectionmorphology;(c)B4C-BNNTslayer;(d)TiB2layer;(e)interface;(f)theEDSoftheregionoffractureB4C的热膨胀系数为4.5×10-6/℃、TiB2的热膨胀系数为8.1×10-6/℃，由于两者的热膨胀系数相差较大，在热压烧结由高温冷却到常温过程中，层状复合陶瓷基体层中存在较大压应力。通过调节层厚比，使基体层(表层)产生合适的压应力，有助于提高基体层的裂纹的扩展阻力，增大临界图1工艺条件对浆料流变性的影响Fig.1Theinfluenceoftheprocessconditionsontherheologicalpropertiesofslurry(a)dispersantPEI;(b)binderCMC;(c)Rvalue;(d)solidcontent-2002040608010012014016018012345678Viscosity(aPs)Shearrate(s-1)1wt.%1.5wt.%2wt.%2.5wt.%3wt.%(a)-20020406080100120140160180012345678Vsicostyi(aPs)Shearrate(s-1)1wt.%(Cracking)3wt.%(Lowintensity,fracture)5wt.%7wt.%9wt.%(b)-2002040608010012014016018001234567Viscosity(aPs)Shearrate(s-1)0.7(Verybrittle)0.8(Brittle)0.9(Easystrippingandcutting)1.0(Ductile)1.1(c)
·661·第37卷第6期图2流延膜的宏观和微观形貌照片Fig.2ThephotosandSEMimagesofthetapes(a)photos;(b)TiB2fracture;(c)B4C-BNNTsfracture表1TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的层厚比与力学性能的关系Tab.1TherelationbetweenthicknessratioandmechanicalpropertiesofTiB2/B4C-BNNTs裂纹尺寸。此外，当裂纹扩展到应力场存在的强界面时，裂纹尖端将发生偏转。这都将提高TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的抗弯强度和断裂韧性。2.4TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料的显微结构分析图3为基体层B4C-BNNTs与硬夹层TiB2层厚比为1.8:1时样品的断面SEM照片和能谱图。由图3(a)可知，基体层与夹层交替排列，厚度均匀，界限清晰。由图3(b)可知，裂纹在强界面处发生偏转。由图3(c)、(d)可知，基层和夹层的致密度均较高，晶粒基本融合。由图3(e)可知，B4C晶粒与TiB2晶粒在界面处有互相嵌入，这有利于界面结合，维持层间的内应力。由图3(f)可知，面扫描能谱图中主峰为Ti元素峰，还有微弱的W元素的峰，经分析为WC球磨子引入W元素，WC对样品的烧结和力Thicknessratio(HB/HT)Flexuralstrength(MPa)Fracturetoughness(MPa·m1/2)0.9/1625.567.131.8/1598.637.842.7/1547.677.023.6/1510.726.384.5/1487.155.77(a)(b)(c)(d)(e)(f)学性能有一定促进作用[16]。3结论(1)当PEI含量为2wt.%，CMC含量为5wt.%，R值为0.9，固含量为55wt.%时可制备出高质量的TiB2流延膜。(2)当B4C-BNNTs与TiB2的层厚比为1.8:1，样品于2040℃、30MPa下热压烧结30min，制备出TiB2/B4C-BNNTs层状陶瓷复合材料，其抗弯强度和断裂韧性分别为598.63MPa和7.84MPa·m1/2。
【参考文献】：
期刊论文
[1]烧结温度对BNNTs/B4C陶瓷复合材料显微结构与力学性能的影响[J]. 曾小军,刘维良,冯震乾,阮杰平. 中国陶瓷. 2014(08)
[2]氮化硼纳米管的高效制备及其表征[J]. 班晓磊,刘维良,武安华,曾小军,徐军. 人工晶体学报. 2013(06)
[3]增塑剂对改性纤维素膜性能的影响及其机理研究[J]. 赵力超,彭志妮,游曼洁,刘欣,陈永泉. 食品科学. 2010(01)
[4]WC/Co-B4C复合材料的组织结构及力学性能[J]. 李世波,温广武,张宝生. 金属学报. 2001(06)
[5]氧化铝/ZTA强夹层层状复合陶瓷的制备和性能[J]. 丁新更,葛曼珍,杨辉. 硅酸盐通报. 2000(01)
本文编号：3290333
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