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碳化硼热压烧结材料具有优良的力学性能,应用前景非常广阔,但也存在着不足。因此,碳化硼基复合陶瓷材料的研究日益得到广泛关注,这些材料在保持碳化硼的一些重要性能不变的前提下,尝试改善其部分性能,使其应用领域进一步加宽。
本论文在查阅大量国内外文献的基础上,以氧化镧、硼酸和石油焦为原料,采用碳热还原法在直流矿热炉中制备了纯度较高的硼化镧;并向碳化硼中添加硼化镧和氧化铈,热压烧结制备了碳化硼-硼化镧陶瓷材料、碳化硼-氧化铈陶瓷材料和碳化硼-硼化镧-氧化铈陶瓷材料。本文研究的主要内容为制备硼化镧过程中的化学反应机理、添加硼化镧和氧化铈后对碳化硼基复合陶瓷材料性能的影响。
采用XRD和TG-DTA方法对La2O3与H3BO3在碳的作用下的高温化学反应过程进行了研究。研究结果表明:在82~222℃时,H3BO3脱水生成B2O3;800~1200℃时,碳的作用较弱,以La2O3和B2O3生成LaB3O6的反应为主;1450℃的高温下,碳的作用显著,La2O3、B2O3和C生成B4C和LaBO3,而后B4C和LaBO3进一步反应生成LaB4、B和LaB6;1500℃时,主要是LaB4和B反应生成LaB6。用热力学数据计算了LaB6生成的最低反应温度为1394℃,与实验温度1450℃相近。
向碳化硼中添加硼化镧制备碳化硼-硼化镧陶瓷材料,随着硼化镧添加量的增大,其密度逐渐变大,烧结的实际密度均能达到理论密度的95%以上,最高可以达到理论密度的96.96%;硬度也随着硼化镧添加量的增大而增大,当添加量为10%时,硬度达到最大值31.83GPa,比纯碳化硼提高了近19.4%;抗弯强度随着硼化镧添加量的增大先增大后减小,当添加量为8%时,抗弯强度达到最大值313.29MPa,但比纯碳化硼下降了9.4%;断裂韧性随着硼化镧添加量的增大先增大后减小,当添加量为8%时,断裂韧性达到最大值5.14MPa·m1/2,比纯碳化硼提高了39.7%。
向碳化硼中添加氧化铈制备碳化硼-氧化铈陶瓷材料,随着氧化铈添加量的增大,其密度逐渐变大,烧结的实际密度均能达到理论密度的96%以上,最高可以达到理论密度的96.9%;硬度随着氧化铈添加量的增大先增大后减小,当添加量为2%时,硬度达到最大值40.64GPa,比纯碳化硼提高了52.5%。抗弯强度随着氧化铈添加量的增大变化较为复杂,当添加量小于2%时,抗弯强度先减小后增大;当添加量在2%~3%之间时,抗弯强度减小,大于3%时,抗弯强度又有所增大;最终,当添加量为4%时,抗弯强度达到最大值346.7MPa,比纯碳化硼材料略有提高;断裂韧性随着氧化铈添加量的增加变化也较为复杂,当添加量小于3%时,断裂韧性先增大后减小,大于3%时,断裂韧性又有所增大,当添加量为4%时,断裂韧性达到最大值5.95MPa·m1/2,比纯碳化硼提高了61.7%。
向碳化硼中添加氧化铈和硼化镧制备碳化硼-硼化镧-氧化铈陶瓷材料,随着氧化铈添加量的增大,其密度逐渐变大,烧结的实际密度均能达到理论密度的96%以上,最高可以达到理论密度的97.08%;硬度随着氧化铈添加量的增大先增大后减小,当添加量为1%时,硬度达到最大值39.19Gpa;抗弯强度随着氧化铈添加量的增大先增大后减小,当添加量为1%时,抗弯强度达到最大值354.15Mpa;断裂韧性随着氧化铈添加量的增加较为复杂,先减小再增大又减小,当添加量为1%时,断裂韧性达到最大值5.04MPa·m1/2。