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碳化硼陶瓷难于烧结致密化,并严重影响其大规模工业化应用。本文分别从引入烧结助剂和制备碳化硼粉体两个方面入手,解决碳化硼的烧结致密化问题。
1)以商业碳化硼粉体为原料,针对当前以Ti作为添加剂,反应生成的残余碳导致碳化硼力学性能降低的问题,提出了以Ti-Si作为添加剂,Si与残余碳反应生成碳化硅,消除残余碳的不利影响,在实现碳化硼陶瓷致密化的基础上,提高其力学性能。在2250℃无压烧结条件下,在加入5wt.％Ti的基础上,添加0.75wt.%Si的样品的维氏硬度有所提高,从28.54±0.66 Gpa增加到29.72±0.35 Gpa,这可以归结为加入的Si除去基体中残余C的结果。
2)以商业碳化硼粉体为原料,分别以Al、Si和Al-Si作为添加剂,研究了添加剂的含量、比例以及烧结温度对碳化硼致密化的影响。与一元Al和Si添加剂相比,二元Al-Si添加剂的效果较好,并且随着mAl:msi从1:1增加到9:1,致密化的效果越来越明显。以7wt.%A9S1(mAl:msi=9:1)作为添加剂,在2250℃保温1小时,得到了相对密度为97.5%的碳化硼陶瓷。
3)以六方氮化硼和炭黑或石墨为原料,在固相条件下合成碳化硼粉体。研究了反应温度、反应气氛和碳源对反应过程的影响。随着温度的升高,反应速度加快;对比了在真空下和氩气气氛下反应的进行情况,体系在反应过程中,有氮气放出,在真空条件下,氮气很容易被真空泵抽出,而在氩气气氛下,氮气不容易排出,所以氮气的分压较大,氮气对体系的反应具有抑制作用;碳源的种类和粒径对反应活性有重要影响,炭黑的反应活性比石墨粉的反应活性高;以六方氮化硼和炭黑为原料,在1900℃下保温5小时,体系完全发生反应,生成碳化硼粉体,粉体的粒径在100 nm左右;体系可能的反应过程是氮化硼先分解生成B,B与C反应生成碳化硼;与碳热还原法制备的商业粉体相比,合成的粉体具有较好的烧结活性,在2000℃/30MPa/1h,不添加任何烧结助剂的条件下,致密度达到97.9%,而商业粉体烧结样品的致密度仅为93.1%,这种好的烧结活性可以归结于合成的粉体具有相对细小均匀的粒径,一定程度的孪晶结构和低的氧含量。