【摘 要】
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碳化硼（B4C）是一种重要的结构陶瓷,在工业上有大量应用。碳化硼最显著的特点是高硬度、低密度,同时还拥有高熔点、耐磨、耐化学腐蚀、优良的中子吸收性、较好的热电性等优异性能,可以应用于军事、核工业、冶金、化学工业等领域。但是,由于碳化硼含有极高的共价键含量,导致碳化硼难烧结、韧性低。这些缺点不但增加了碳化硼的使用成本,还严重限制了碳化硼在工业上的应用。为了改善碳化硼难烧结,韧性低的问题,本文以TiS
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碳化硼（B4C）是一种重要的结构陶瓷,在工业上有大量应用。碳化硼最显著的特点是高硬度、低密度,同时还拥有高熔点、耐磨、耐化学腐蚀、优良的中子吸收性、较好的热电性等优异性能,可以应用于军事、核工业、冶金、化学工业等领域。但是,由于碳化硼含有极高的共价键含量,导致碳化硼难烧结、韧性低。这些缺点不但增加了碳化硼的使用成本,还严重限制了碳化硼在工业上的应用。为了改善碳化硼难烧结,韧性低的问题,本文以TiSi2、B4C混合粉末为原料,通过原位反应热压烧结的方法,引入与碳化硼物理性质相近,但是韧性和强度均高于碳化硼的第二相Si C和Ti B2。这种方法的优点在于反应过程中没有引入杂相,也没有气体生成,反应过程可控,用较低的成本制备出高性能B4C-Si C-Ti B2复合陶瓷。实验首先研究了混合粉体之间的反应,通过进行热力学计算、分析不同温度下混合粉末的组成,总结出反应产物的形成规律,揭示了原位反应的微观反应过程。然后探究了加入不同质量分数的Ti Si2对碳化硼性能的影响,通过比较样品的微观结构、力学性能、烧结曲线来确定最佳添加量,并观察到了特殊的微观形貌。我们以性能最佳的样品为研究对象,详细研究了这种特殊形貌,探讨了陶瓷的增韧机理。结果发现,Ti Si2与B4C的化学反应过程是首先在1000℃生成Ti B2,在1300℃生成了少量的Si C,未反应的Si在1400℃左右时发生熔化,形成液相,最终完全与C反应形成Si C。烧结过程中由于反应活化,以及形成的液相加快了传质过程,因此Ti Si2的添加促进了B4C的烧结,有效降低了B4C的烧结温度。烧结样品中大量形成了Si C-Ti B2团聚体,大大提升了B4C陶瓷的力学性能。本实验中获得的最佳性能的样品为添加了10 wt.%Ti Si2的样品,样品的强度达到807 MPa,断裂韧性为3.2 MPa·m1/2。课题研究目的在于制备出可大规模生产的高性能B4C复合陶瓷,为高性能B4C复合陶瓷的工业化制备提供技术和理论依据,从而得到更为廉价、耐用的B4C制品;为B4C陶瓷原位反应热压烧结引入第二相提供一种新的思路,详细探究了B4C-Ti Si2粉体在热压中的原位反应过程,促进B4C复合陶瓷的进一步发展。
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