论文部分内容阅读
碳化硼（B4C）陶瓷最为突出的特点是低密度、高硬度。此外,其还具有高弹性模量、优异的耐磨性能和高的中子吸收能力,因而B4C在耐磨材料、轻质防护材料、热电材料及原子反应堆控制材料等领域具有广泛应用。然而,B4C陶瓷的烧结温度高、断裂韧性低,且其导电性差,加工较为困难,这些因素严重制约了B4C陶瓷材料的进一步发展。本论文立足解决B4C陶瓷现有的缺点,设计了不同工艺制备石墨烯均匀分散的高性能B4C–石墨烯复合陶瓷,研究了B4C复合陶瓷的微观结构及力学性能之间的关系,揭示了B4C复合陶瓷强韧化机理,为高性能B4C复合陶瓷的规模化制备提供理论依据和技术支撑。本论文主要研究内容与结论如下:1.石墨烯的热稳定性研究:利用热压烧结炉研究了氧化石墨烯（GO）的热还原过程及（石墨烯纳米片）GNPs的热稳定性。研究发现,800°C条件下,GO含氧官能团分解,转变为还原氧化石墨烯（rGO）,其缺陷水平增加。当温度升高到1950°C时,sp~2杂化碳原子恢复,rGO缺陷水平较低。同样,GNPs在此温度热处理之后,其片层结构仍得以保留,缺陷减少。rGO及GNPs的高温稳定性使得石墨烯用来强韧化B4C陶瓷成为可能。2.异相共沉淀法结合热压烧结制备B4C–rGO复合陶瓷:以B4C、GO为原料,CTAB为表面活性剂,采用异相共沉淀法获得了分散均匀的B4C–GO复合粉体,利用热压烧结,在1950°C,30 MPa,保温1 h的条件下制备了高致密度、高韧性的B4C–rGO复合陶瓷。结果表明,仅添加0.5 wt%rGO,使得B4C陶瓷的断裂方式从穿晶断裂转变为穿晶和沿晶混合断裂模式。B4C–2 wt%rGO复合陶瓷的弯曲强度和断裂韧性比纯B4C陶瓷分别提高了31%（350→455 MPa）和83%(3.2→5.85 MPa·m1/2)。微观结构表明,B4C复合陶瓷断裂韧性提高主要归因于rGO拔出,裂纹桥接及裂纹偏转。3.球磨结合热压烧结制备B4C–GNPs复合陶瓷:尽管rGO可以增韧B4C,但是其缺陷含量相对较高,实际强度和模量要低于GNPs,故rGO增韧B4C复合陶瓷的弯曲强度往往达不到预期值。本实验以B4C、GNPs为原料,利用超声分散结合行星球磨法获得了GNPs均匀分散的B4C复合粉体;采用热压烧结制备了微观结构均匀、力学及电学性能优异的B4C–GNPs复合陶瓷。研究了GNPs含量对B4C复合陶瓷微观结构及力学性能的影响。对比了B4C–rGO及B4C–GNPs两种复合陶瓷微观结构和力学性能,利用两种微观力学模型深入探讨了石墨烯的增韧机理。此外,还探索了GNPs对B4C复合陶瓷电学及加工性能的影响,包括电导率、材料去除速率（MRR）以及加工面的表面粗糙度（Ra）。结论如下:（1）GNPs均匀分散在B4C陶瓷基质中并垂直于热压方向平行排布。B4C–1wt%GNPs的综合力学性能最佳,其相对密度、维氏硬度、弯曲强度、断裂韧性分别高达99.02%、32.3 GPa、508 MPa、4.66 MPa·m1/2。主要的增韧机理包括裂纹桥接、GNPs拔出及GNPs与B4C界面间的滑移。同时,可以观察到三维方向上的裂纹偏转,卷曲的GNPs紧紧地包裹住B4C颗粒,偏转了裂纹扩展的路径。（2）rGO增强B4C复合陶瓷微观结构更加致密,断裂韧性略高,而GNPs增强B4C复合陶瓷的弯曲强度更高。微观力学模型计算结果表明,石墨烯桥接和脱粘对应的应变能释放速率远大于其拔出所消耗的能量,B4C复合陶瓷最主要的增韧机理为裂纹桥接。（3）当GNPs的含量为10 wt%时,由于B4C基质中GNPs导电网络的形成,B4C复合陶瓷的电导率高达4997 S·m–1。B4C陶瓷的MRR从6.55 mm~3·min–1提高到9.40 mm~3·min–1,其加工面的Ra也从2.44μm下降到1.12μm。SEM-EDS表明,当GNPs的含量低于2 wt%时,B4C复合陶瓷的材料去除机理（MRM）主要为层裂和热震;而高于2 wt%时,其MRM转变为B4C晶粒的脱附、熔化和挥发。4.TiB2–GNPs对B4C复合陶瓷的协同强化效应:为了进一步提高B4C陶瓷力学及电学性能,本实验B4C、TiB2、GNPs为原料,利用搅拌磨,机械搅拌、超声结合行星球磨法获得混合均匀的B4C–TiB2–GNPs复合粉体,采用热压烧结,在1900°C,30 MPa,保温1 h的条件下制备了高强韧、高电导率的B4C–TiB2–GNPs复合陶瓷。结果表明,基于TiB2及GNPs的协同强化效应,B4C三元复合陶瓷的弯曲强度和断裂韧性比B4C–GNPs陶瓷分别提高了17%和76%。B4C–TiB2–GNPs复合陶瓷增韧机理主要为:TiB2引起的裂纹偏转、裂纹分支、穿晶断裂以及GNPs引起的裂纹偏转、裂纹桥接及GNPs拔出。此外,TiB2导电颗粒可以将孤立的、定向排列的GNPs串联起来形成导电网络,大大提高了B4C复合陶瓷的电导率（180→9.65×10~5S/m）。