聚碳硅烷及氧化鋯對B4C熱壓致密化、結(jié)構(gòu)及性能的影響.pdf

1、由于碳化硼具有低密度、高硬度、高中子吸收能力及良好的高溫?zé)犭娦阅艿忍卣鳎蚨蓮V泛用作防彈裝甲、高溫耐磨耐腐蝕材料、切割研磨材料、防輻射屏蔽材料及高溫?zé)犭姴牧系阮I(lǐng)域，是一種極具前景的重要結(jié)構(gòu)功能陶瓷。但是，碳化硼陶瓷具有兩大缺陷：一是燒結(jié)致密化困難，二是制品強度及斷裂韌性較低，因而限制了B4C材料的應(yīng)用范圍。無壓燒結(jié)碳化硼，即使添加燒結(jié)助劑，其燒結(jié)溫度一般也會高于2100℃且性能較差。因此，熱壓燒結(jié)是制備高致密高性能碳化硼材料的必要技術(shù)

2、手段，但是大量的研究主要集中在研究熱壓工藝與材料結(jié)構(gòu)、性能之間的關(guān)系，而對于熱壓工藝及添加劑對B4C燒結(jié)機制和燒結(jié)致密化的影響規(guī)律還缺乏系統(tǒng)深入的研究。
　　基于熱壓致密化方程及氣孔拖拽蠕變模型，本文研究了商用B4C的致密化機制及晶粒生長機制，并研究了不同 B4C粉體粒徑對熱壓致密化機制的影響。在此基礎(chǔ)上，分別以聚碳硅烷（polycarbosilane, PCS）和ZrO2為代表，進一步研究了無界面反應(yīng)和有界面固相反應(yīng)的添加劑對

3、B4C熱壓致密化機制的影響，同時深入分析了材料組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。研究結(jié)構(gòu)表明：
　?。?）提高溫度及壓力可顯著促進 B4C的致密化過程，改善顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。燒結(jié)初期碳化硼的快速致密化可能是由塑性形變機制引起的，燒結(jié)后期晶界擴散主導(dǎo)碳化硼的致密化。對于燒結(jié)過程中碳化硼的晶粒生長，當致密度高于93％時，碳化硼不可避免的發(fā)生晶粒生長。碳化硼的晶粒生長主要依賴于高溫下的晶界遷移和蒸發(fā)-冷凝機制。碳化硼熱壓過程中保溫時間以40

4、min為宜，過長的保溫時間對致密度的提高意義不大，但利于晶粒生長。B4C粉體粒徑的減小，可降低燒結(jié)粘度及激活能，利于塑性流動的快速發(fā)生，大大降低了致密化所需時間。
　　（2）在燒結(jié)過程中由PCS裂解后原位生成的SiC可有效降低B4C燒結(jié)激活能，促進B4C的致密化，致密化主要依賴于晶界擴散。而且原位形成的納米或微米SiC顆粒均勻分布在B4C晶粒內(nèi)部或晶界上，形成了一種晶內(nèi)/晶間的混合型結(jié)構(gòu)，有效抑制了B4C晶粒的生長，改善了復(fù)相陶瓷

5、的顯微結(jié)構(gòu)，有效提高材料的斷裂韌性。其主要韌化機理是原位形成的微米級SiC晶粒在裂紋尖端的橋聯(lián)作用及原位形成的納米SiC晶粒因殘余張應(yīng)力而引起的裂紋偏轉(zhuǎn)，同時原位形成的微米級SiC呈現(xiàn)精細的層狀結(jié)構(gòu)，這種SiC晶粒的層狀結(jié)構(gòu)及大量的位錯缺陷能有效吸收裂紋擴展能也起到了較為重要的增韌作用。在B4C-PCS體系中，進一步添加Si粉，由于燒結(jié)過程中液相的產(chǎn)生，可以進一步促進材料的致密化，并且提高材料的硬度及強度，但是對斷裂韌性的影響不大。硬度

6、及強度的提高歸因于氣孔率的降低及成分中游離碳的去除。同時，Si的引入改善了材料的顯微結(jié)構(gòu)均勻性，進一步細化了原位形成的SiC晶粒的層狀結(jié)構(gòu)。當Si含量為11.4 wt%時，復(fù)相陶瓷的致密度、硬度、彎曲強度及斷裂韌性分別為99.2%，33.5 GPa，390 MPa和5.54 MPa·m1/2。
　?。?）ZrO2與B4C在1100℃即可反應(yīng)，1400℃以上時可完全反應(yīng)生產(chǎn)ZrB2。ZrO2的引入強化了燒結(jié)初期的塑性流動形變機制，明

7、顯提高了B4C燒結(jié)初期的致密化速率，降低了燒結(jié)激活能，因而可顯著改善B4C的燒結(jié)行為，促進致密化。同時，原位生成的ZrB2晶粒細小、均勻分布在B4C基體之間，改善了B4C的顯微結(jié)構(gòu)，提高了復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能，力學(xué)性能的提高主要歸因于氣孔率的降低及晶粒尺寸的細化。而且，原位ZrB2的引入改變了B4C陶瓷的斷裂方式，使B4C單一的穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚а鼐Ч不鞌嗔眩鰪娏藦?fù)相陶瓷的韌性，而由熱膨脹系數(shù)失配產(chǎn)生的殘余應(yīng)力導(dǎo)致裂紋偏轉(zhuǎn)及裂紋分叉則是