B4C–TiB2复相陶瓷的制备及性能研究

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碳化硼(B4C)是一类非常具有应用和发展前景的高性能陶瓷材料。然而,单相B4C陶瓷很难满足应用对性能的综合要求。硼化钛(TiB2)具有与B4C类似的性质,将两者结合起来形成B4C–TiB2复相陶瓷可提高材料的烧结性能,细化其显微结构进而提高其力学性能。而且由于TiB2具有良好的导电性能,将TiB2相加入B4C基体中还可降低材料的电阻率使其满足电火花加工的要求。因此,B4C?TiB2复相陶瓷是最具有潜力的一类复合材料。本论文以B4C?TiB2复相陶瓷的制备及性能为研究对象,主要研究内容如下:(1)以B4C和TiB2粉为原料,采用热压烧结制备了B4C–30 vol.%TiB2复相陶瓷,研究了B4C原料粉体粒径对复相陶瓷烧结性能、显微结构及力学性能的影响。研究结果表明,在2000oC/35 MPa下保温1 h可得到完全致密的B4C–TiB2复相陶瓷。原料B4C粉体粒径对复相陶瓷力学性能的影响不大,所制备复相陶瓷的抗弯强度为689?754 MPa,硬度为29.15?30.42 GPa,断裂韧性为4.26?5.23 MPa·m1/2。(2)以TiC和无定形B粉为原料,采用热压反应烧结在2000oC/35 MPa下保温1 h制备了B4C–41 vol.%TiB2复相陶瓷,研究了原料配比、原料TiC粉体粒径对复相陶瓷的烧结性能、物相、显微结构及力学性能等的影响。研究结果表明,当B配比过量10%时,可消除复相陶瓷中因反应中生成的C。随着B含量的增加,复相陶瓷中生成了高硼碳化物,对复相陶瓷的体积密度以及力学性能均产生了影响。以微米TiC为原料时,当B过量从10%上升至30%时,所得B4C–TiB2复相陶瓷的弯曲强度从659 MPa下降至512 MPa,断裂韧性从4.53 MPa·m1/2增至5.78 MPa·m1/2,维氏硬度从26.7 GPa增加到30.4 GPa。原料TiC粉体的粒径对复相陶瓷的影响也较为明显:TiC粉体的粒径过小,表面更易发生自发氧化,氧化产物阻碍了复相陶瓷的烧结致密化;TiC粉体的粒径过大,所得复相陶瓷的晶粒尺寸较大;当B过量10%,由0.8μm的TiC粉体所得的复相陶瓷具有最高的弯曲强度(569 MPa)。(3)以微米TiC和无定形B粉为原料,采用脉冲电流辅助原位反应烧结法在1900oC/50 MPa的条件下制备了B4C–41 vol.%TiB2复相陶瓷,研究了压前保温时间和压后保温时间对所制备复相陶瓷物相、烧结性能、显微结构及力学性能的影响。研究发现,压前保温1 min可有效使烧结过程中产生的B2O3挥发,促进复相陶瓷的烧结致密化。当压后保温时间为4-10 min时,随着保温时间的延长,复相陶瓷的致密度能够进一步得到提高,弯曲强度从492 MPa增加至640 MPa,硬度与断裂韧性变化不大。
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