添加劑對碳化硼陶瓷的燒結致密化與力學性能的影響.pdf

1、碳化硼是共價鍵極強的化合物。極強的共價鍵賦予了碳化硼陶瓷優(yōu)異的性能，如：超高的硬度(僅次于金剛石和立方氮化硼)和耐磨性、高熔點等。但是同時又降低了其燒結性能，增加了燒結致密化的難度。無壓燒結很難使碳化硼達到完全致密，即使采用熱壓或者熱等靜壓燒結，也需要非常高的溫度。添加燒結助劑可以有效地減低燒結溫度。本論文工作研究了三類通過不同方式引入的燒結添加劑對碳化硼陶瓷致密化和力學性能的影響。 球磨是結構陶瓷制備工藝中常用的混料手段。由于

2、碳化硼的高硬度，在球磨過程中表面被磨損的球磨介質往往以添加劑的方式引入到起始原料中，成為一種不可忽視的因素。然而，迄今為止，尚無關于由此引入的添加劑對碳化硼燒結和力學性能影響的研究報道。 本論文工作首先研究的是不同種類的球磨介質引入的添加劑對碳化硼燒結性能和力學性能的影響。使用的球磨介質材料有聚甲醛(POM)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)和氮化硅(Si3N4)。研究結果表明，三種無機材料磨球在混料過程中引入的添加劑使

3、碳化硼的燒結致密度提高明顯：使用Al2O3磨球的樣品相對密度達到98.9％，使用Si3N4磨球的樣品相對密度為97.9％，使用ZrO2磨球的樣品相對密度最小，但也達到了96.5％。而使用聚甲醛磨球的樣品的致密度基本與直接燒結碳化硼粉末得到的致密度相同，相對密度僅為91％。此外，ZrO2球磨的碳化硼燒結樣品的抗折強度在三種磨球情況下為最高，達到630MPa；Al2O3球磨的碳化硼樣品得到最大的彈性模量，為379GPa；Si3N4球磨的碳化

4、硼樣品則得到最好的硬度性能，其維氏硬度值為30GPa。采用聚甲醛為磨球材料對樣品的力學性能則沒有影響。 針對碳化硼粉料中存在的游離碳，分別采用兩種含硼量較多的硼化物作添加劑：SiB6和AlB2，研究了SiB6或AlB2二種不同添加劑含量對碳化硼陶瓷的燒結和力學性能的影響(相關工作未見報道)。以聚甲醛球作為球磨混料介質，熱壓燒結制備直接添加2wt％和5wt％SiB6或AlB2的碳化硼陶瓷。研究結果表明：AlB2和SiB6都能有效地

5、促進碳化硼的燒結致密化并且提高其力學性能。SiB6添加量為2wt％時，樣品的密度為2.515g/cm3，綜合力學性能最佳，抗折強度和維氏硬度分別為426MPa和31.2GPa。增加SiB6添加量為5wt％，上述性能反而有所下降。二種SiB6添加量都使碳化硼陶瓷的斷裂韌性達到3.2MPa·m1/2。AlB2添加劑的作用也與SiB6類似，但也有差別，SiB6提高的是陶瓷的抗折強度，而Al2B提高的是陶瓷的彈性模量。AlB2的添加量為2wt％

6、時，陶瓷的密度為2.52g/cm3，綜合力學性能也最佳，彈性模量和硬度分別達到了451GPa和30.9GPa。二種AlB2添加量都使碳化硼陶瓷的斷裂韌性達到3.2MPa·m1/2。最后嘗試采用化學沉淀的方法將添加劑均勻引入到碳化硼基體中。Al2O3對于碳化硼是一種有效的燒結助劑，但文獻中多是以機械混合的方式引入氧化鋁，并且沒有考慮球磨介質在其中的影響。本論文工作以化學沉淀的方式將添加劑Al2O3引入到碳化硼起始粉料中，避開球磨帶來的影響

7、并將氧化鋁更均勻地分散在碳化硼基體中，進而研究其對碳化硼燒結及力學性能的影響。將碳化硼粉末與氨水混合，并加入1wt％的PEI作為分散劑，制作成碳化硼粉末的懸浮液，然后把硝酸鋁溶液滴定到該碳化硼懸浮液中，滴定過程中PH值控制在9到10之間，借助沉淀反應生成Al(OH)3，該沉淀產(chǎn)物會在加熱過程中分解成Al2O3，從而對碳化硼陶瓷的燒結和力學性能產(chǎn)生影響。結果表明，此法引入Al2O3添加劑同樣能極大地促進碳化硼的致密度。樣品的相對密度達到9