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碳化硼陶瓷具有密度小、硬度高、高模量、高耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性好以及优良的中子吸收性能等特点,广泛应用于防弹材料、耐磨和自润滑材料、切割研磨工具、防辐射材料和原子反应堆控制和屏蔽材料等。碳化硼是共价键很强的陶瓷材料,共价键比例占90%以上,另外碳化硼的塑性较差,晶界移动阻力大,固态时表面张力小,这些决定了碳化硼是一种极难烧结的陶瓷材料。为了提高材料的性能,采用加入纳米第二相的方法,加入的纳米第二相主要存在于基体晶粒之间或基体颗粒之内,从而对陶瓷材料起到增韧补强的作用,也可以有效的提高材料的烧结活性。
本文采用陶瓷前躯体原位反应法制备SiC-B4C复相陶瓷材料,其烧结工艺主要采用放电等离子烧结和热压烧结两种烧结方法,并对材料进行分析表征,研究其结构性能之间的关系。
首先通过陶瓷前躯体聚碳硅烷热解制备SiC,在研究的过程中发现聚碳硅烷的热解产物包括SiC和C,为了除去产生的C,分别通过添加Si粉和B粉使之在一定的温度下与C反应生成相应的SiC和B4C,研究发现:在1500℃时,Si粉与C可以反应生成SiC,B粉和热解产物中的石墨原位反应生成B4C,在1400℃时B粉和C可以反应生成B4C,1900℃时,出现了一定的烧结现象。
通过在聚碳硅烷中加入B粉,在840℃下热解后生成SiC/C/B复合粉末,再进行放电等离子烧结,最佳的烧结工艺参数为烧结温度1750℃,烧结时间为5min,烧结压力为30Mpa,致密度达到96.7%,硬度达到8.03GPa。比较原位反应制备的SiC/B4C复相陶瓷材料和采用SiC、B4C原始粉料直接烧结制备的SiC/B4C复相陶瓷材料,原位反应制备的SiC/B4C复相陶瓷可以得到更好的性能,同时降低了烧结温度。
将840℃热解后生成SiC/C/B复合粉末进行热压烧结,最佳的热压烧结工艺为烧结温度1950℃,烧结时间为60min,烧结压力为30Mpa,致密度达到96.88%,硬度达到21GPa。热压原位反应制备的SiC/B4C复相陶瓷材料和SPS原位反应制备的SiC/B4C复相陶瓷材料比较,热压原位反应制备的SiC/B4C复相陶瓷材料可以得到更好的性能,烧结致密度和硬度均有显著的提高。