異質模量層狀碳化硼復合材料的設計及韌化機制研究.pdf

1、碳化硼以其高硬度、低密度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合性能，廣泛地用于裝甲材料、耐磨和自潤滑材料，切割研磨工具材料和屏蔽材料等領域。B4C作為陶瓷中最輕的硬質材料，是非常理想的裝甲材料，特別是在飛機、坦克、艦船、車輛上關鍵部位的裝甲。但是傳統(tǒng)的B4C裝甲陶瓷，其韌性較差難以滿足工程需求，因此關于開展B4C陶瓷的強韌化研究有著重大的意義。
　　 本文基于仿生材料的結構，設計了異質模量B4C層狀結構復合材料，以B4C為硬質相，BN及摻雜B

2、N為軟質相的異質模量層狀陶瓷體系。采用流延-疊層-熱壓燒結的方法制備了同質模量B4C疊層陶瓷材料，異質模量B4C/BN系層狀結構復合材料。研究了B4C硬質相流延成型工藝和BN軟質相涂層工藝，分析了B4C流延漿料對B4C生坯性能的影響，確定了B4C合理的漿料組分和流延工藝條件。分析了不同疊層方式與B4C層狀陶瓷結構和力學性能的關系，探討了同質模量B4C疊層陶瓷，異質模量B4C/BN系層狀結構復合材料的室溫力學破壞過程中裂紋擴展路徑，開裂方

3、式，載荷位移關系等，提出了材料的增韌機制。基于異質模量B4C/BN層狀結構，通過定義結構單元節(jié)點約束失效的方法對B4C材料、預制裂紋三層B4C/BN層狀材料和異質模量B4C/BN層狀復合材料的斷裂行為進行有限元計算模擬。
　　 研究結果表明：采用流延-疊層-熱壓燒結的成型方法制備了同質模量B4C疊層陶瓷材料，垂直層面方向沒有分層現象，均勻且致密，相對密度為96.0％，抗彎強度達到585MPa，斷裂韌性為4.8 MPa·m1/2，

4、其性能高于同種原料傳統(tǒng)粉末冶金方法制備的B4C陶瓷材料。
　　 異質模量B4C/BN層狀結構復合材料中，硬軟質層層厚比為5.7時，抗彎強度為468MPa，斷裂韌性達到5.5 MPa·m1/2，斷裂功為2398J/m2。軟質層BN中加入B4C和Al2O3都能提高B4C/BN層狀結構復合材料的韌性。當軟質層BN中摻入質量分數為10%的B4C時，抗彎強度達到420MPa，斷裂韌性達到6.5 MPa·m1/2，斷裂功為3248J/m2(

5、接近于同質模量B4C陶瓷材料斷裂功的3倍)。當軟質層BN'中摻入質量分數為10%的Al2O3時，其抗彎強度達到471MPa，斷裂韌性達到7.3MPa.m1/2，斷裂功為3071J/m2。
　　 對異質模量B4C/BN層狀結構復合材料微觀斷裂的分析表明其增韌機制在于裂紋在軟質相中的偏轉和分叉，基體片層間的橋連和摩擦拔出，這些過程均消耗了大量的斷裂能，從而提高了材料的韌性和裂紋損傷容限的能力。
　　 對同質模量B4C材料、三