反应烧结碳化硅、碳化硼陶瓷及其增韧的研究

发布时间：2017-09-19 01:39

  本文关键词：反应烧结碳化硅、碳化硼陶瓷及其增韧的研究

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【摘要】：碳化硅和碳化硼材料均具有低密度、高硬度、高模量、耐磨蚀等特点,在轻质装甲领域有着重要的应用。但是碳化硅和碳化硼有很强的共价键,在烧结过程中扩散速率低,且陶瓷颗粒难以实现收缩致密,难以实现较低温度的快速烧结。本文通过反应烧结的工艺在1500℃-1600℃的低温制备了碳化硅、碳化硼复合材料。反应烧结具有工艺简单、烧结温度低、烧结速度快、尺寸变化小等优点,但是由于所制备的复合材料中含有游离硅,这会对材料的的力学性能产生很大的影响。因此,本文在反应烧结制备工艺的基础上,对反应烧结碳化硅、碳化硼复合材料的增韧进行探究。本实验在碳化硅和碳化硼的基体中分别加入了氮化铝颗粒和短切碳纤维,以期能够对反应烧结碳化硅、碳化硼陶瓷材料进行增韧。利用XRD、OM、SEM等分析了复合材料的物相和组织结构,并测试了材料的力学性能。研究结果表明:(1)试验中所使用的硅能够在略高于其熔点的温度下熔渗进入碳化硅和碳化硼的坯体,熔融硅与坯体具有良好的润湿性。经XRD检测得知,所制备材料中没有残炭的存在,熔融硅与坯体中的碳进行了完全反应。金相和断口形貌的照片则显示材料的致密化程度较高,几乎没有气孔的存在。反应烧结工艺能够得到反应完全、致密度高的碳化硅、碳化硼陶瓷复合材料。(2)通过添加氮化铝颗粒来增韧反应烧结碳化硅、碳化硼复合材料。实验结果表明:SiC/AlN和B_4C/AlN复合材料的开口气孔率、抗弯强度、硬度等力学性能的趋势呈现一致性。SiC/AlN复合材料在氮化铝的质量分数为6%时达到最大的抗弯强度值256 MPa,最大的硬度值为2660 HV。在氮化铝的质量分数为4%时,B_4C/AlN复合材料最大抗弯强度和硬度分别为为324MPa和2857 HV。金相和断口形貌显示两种复合材料的组织结构均较为致密,断裂方式为沿晶断裂和穿晶断裂相结合。(3)短切碳纤维增韧反应烧结碳化硅、碳化硼复合材料的结果显示:虽然短切碳纤维具有高强度和高模量,但是随着碳纤维含量的增加,材料的致密度出现下降,碳化硅和碳化硼的抗弯强度和硬度均呈现一直下降的趋势。碳纤维能够与熔融硅发生反应,增加了其与基体的结合力。当复合材料断裂产生裂纹扩展时会由于纤维的拔出以及裂纹的偏转而增加了材料的断裂韧性。其中,当碳纤维的体积含量为7%时,C_f/SiC复合材料的断裂韧性达到最大值,最大值为4.89 MPa·m~(1/2)。当碳纤维的体积含量为12%时,C_f/B_4C复合材料断裂韧性的最大值为4.29 MPa·m~(1/2),这比未添加碳纤维时对照组的3.89 MPa·m~(1/2)提高了约10%。
【关键词】：反应烧结 纤维增韧 氮化铝 碳化硼 碳化硅
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.1;TB332
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 课题研究背景12
• 1.2 SiC和B_4C的烧结方法12-18
• 1.2.1 热等静压烧结13
• 1.2.2 热压烧结13-14
• 1.2.3 放电等离子烧结（SPS）14-15
• 1.2.4 无压烧结15-16
• 1.2.5 反应烧结16-17
• 1.2.6 微波烧结17-18
• 1.3 SiC和B_4C的增韧方法18-22
• 1.3.1 颗粒增韧19-20
• 1.3.2 纤维增韧20-21
• 1.3.3 晶须增韧21-22
• 1.4 选题依据和研究内容22-24
• 1.4.1 选题依据22
• 1.4.2 主要研究内容22-24
• 第二章 实验与研究方法24-33
• 2.1 实验原料24-25
• 2.1.1 实验原料24-25
• 2.1.2 实验设备25
• 2.2 实验流程25-29
• 2.2.1 原料的预处理25-27
• 2.2.2 复合材料预制体的制备27
• 2.2.3 复合材料预制体中有机物的碳化处理27-28
• 2.2.4 反应烧结需硅量的计算28-29
• 2.2.5 复合材料的真空反应烧结29
• 2.2.6 复合材料的除硅处理和后续加工29
• 2.3 材料基本性能测试29-33
• 2.3.1 复合材料的密度测试29-30
• 2.3.2 复合材料的开口气孔率测试30
• 2.3.3 复合材料的显微硬度测试30
• 2.3.4 复合材料的弯曲强度测试30-31
• 2.3.5 复合材料的断裂韧性测试31-32
• 2.3.6 复合材料的物相分析32
• 2.3.7 复合材料的金相分析32
• 2.3.8 复合材料的SEM分析32-33
• 第三章 氮化铝对反应烧结碳化硅、碳化硼性能的影响33-47
• 3.1 复合材料的制备工艺33-34
• 3.2 复合材料的相组成34-36
• 3.2.1 SiC/AlN复合材料的相组成34-35
• 3.2.2 B_4C/AlN复合材料的相组成35-36
• 3.3 复合材料的金相36-39
• 3.3.1 SiC/AlN复合陶瓷材料的金相组成36-37
• 3.3.2 B_4C/AlN复合陶瓷材料的金相组成37-39
• 3.4 AlN含量对复合材料密度和开口气孔率的影响39-40
• 3.5 AlN含量复合材料抗弯强度的影响40-41
• 3.6 AlN含量对复合材料硬度的影响41-42
• 3.7 复合材料的断口形貌42-44
• 3.7.1 SiC/AlN复合陶瓷材料的断口形貌分析42-43
• 3.7.2 B_4C/AlN复合陶瓷材料的断口形貌分析43-44
• 3.8 本章小结44-47
• 第四章 碳纤维对反应烧结碳化硅复合材料性能的影响47-55
• 4.1 C_f/SiC混合粉末压坯的制备和烧结47-48
• 4.2 反应烧结C_f/SiC复合材料的物相48-49
• 4.3 反应烧结C_f/SiC复合材料的金相组织结构49-50
• 4.4 C_f含量对C_f/SiC复合材料的密度和开口气孔率的影响50-51
• 4.5 C_f含量对C_f/SiC复合材料硬度的影响51
• 4.6 C_f含量对C_f/SiC复合材料抗弯强度的影响51-52
• 4.7 C_f含量对C_f/SiC复合材料断裂韧性的影响52
• 4.8 反应烧结C_f/SiC复合材料的断口形貌52-53
• 4.9 本章小结53-55
• 第五章 碳纤维对反应烧结碳化硼复合材料性能的影响55-65
• 5.1 研究方法55-56
• 5.2 反应烧结C_f/B_4C复合材料的物相56-57
• 5.3 反应烧结C_f/B_4C复合材料的金相组织结构57-58
• 5.4 C_f含量对C_f/B_4C复合材料的密度和开口气孔率的影响58-59
• 5.5 C_f含量对C_f/B_4C复合材料硬度的影响59-60
• 5.6 C_f含量对C_f/B_4C复合材料抗弯强度的影响60-61
• 5.7 C_f含量对C_f/B_4C复合材料断裂韧性的影响61-62
• 5.8 反应烧结C_f/B_4C复合材料的断口形貌62-63
• 5.9 本章小结63-65
• 第六章 结论与展望65-67
• 6.1 结论65-66
• 6.2 创新点66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果71-72
• 致谢72-73

【参考文献】

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本文编号：878732