聚碳硅烷及氧化鋯對(duì)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?，因而可廣泛用作防彈裝甲、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(qiáng)度及斷裂韌性較低，因而限制了B4C材料的應(yīng)用范圍。無(wú)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(huì)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(duì)于熱壓工藝及添加劑對(duì)B4C燒結(jié)機(jī)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(jī)制及晶粒生長(zhǎng)機(jī)制，并研究了不同 B4C粉體粒徑對(duì)熱壓致密化機(jī)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(jìn)一步研究了無(wú)界面反應(yīng)和有界面固相反應(yīng)的添加劑對(duì)

3、B4C熱壓致密化機(jī)制的影響，同時(shí)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(jìn) B4C的致密化過(guò)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(jī)制引起的，燒結(jié)后期晶界擴(kuò)散主導(dǎo)碳化硼的致密化。對(duì)于燒結(jié)過(guò)程中碳化硼的晶粒生長(zhǎng)，當(dāng)致密度高于93％時(shí)，碳化硼不可避免的發(fā)生晶粒生長(zhǎng)。碳化硼的晶粒生長(zhǎng)主要依賴于高溫下的晶界遷移和蒸發(fā)-冷凝機(jī)制。碳化硼熱壓過(guò)程中保溫時(shí)間以40

4、min為宜，過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間對(duì)致密度的提高意義不大，但利于晶粒生長(zhǎng)。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(dòng)的快速發(fā)生，大大降低了致密化所需時(shí)間。
　?。?）在燒結(jié)過(guò)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(jìn)B4C的致密化，致密化主要依賴于晶界擴(kuò)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(zhǎng)，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(jī)理是原位形成的微米級(jí)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(shí)原位形成的微米級(jí)SiC呈現(xiàn)精細(xì)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(cuò)缺陷能有效吸收裂紋擴(kuò)展能也起到了較為重要的增韌作用。在B4C-PCS體系中，進(jìn)一步添加Si粉，由于燒結(jié)過(guò)程中液相的產(chǎn)生，可以進(jìn)一步促進(jìn)材料的致密化，并且提高材料的硬度及強(qiáng)度，但是對(duì)斷裂韌性的影響不大。硬度

6、及強(qiáng)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(shí)，Si的引入改善了材料的顯微結(jié)構(gòu)均勻性，進(jìn)一步細(xì)化了原位形成的SiC晶粒的層狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)Si含量為11.4 wt%時(shí)，復(fù)相陶瓷的致密度、硬度、彎曲強(qiáng)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(shí)可完全反應(yīng)生產(chǎn)ZrB2。ZrO2的引入強(qiáng)化了燒結(jié)初期的塑性流動(dòng)形變機(jī)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(jìn)致密化。同時(shí)，原位生成的ZrB2晶粒細(xì)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?dú)w因于氣孔率的降低及晶粒尺寸的細(xì)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?，增?qiáng)了復(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