添加剂对碳化硼陶瓷的烧结致密化与力学性能的影响

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1、上海大学硕士学位论文摘要碳化硼是共价键极强的化合物。极强的共价键赋予了碳化硼陶瓷优异的性能，如：超高的硬度(仅次于金刚石和立方氮化硼)和耐磨性、高熔点等。但是同时又降低了其烧结性能，增加了烧结致密化的难度。无压烧结很难使碳化硼达到完全致密，即使采用热压或者热等静压烧结，也需要非常高的温度。添加烧结助剂可以有效地减低烧结温度。本论文工作研究了三类通过不同方式引入的烧结添加剂对碳化硼陶瓷致密化和力学性能的影响。球磨是结构陶瓷制备工艺中常用的混料手段。由于碳化硼的高硬度，在球磨过程中表面被磨损的球磨介质往往以添加剂的方式引入到起始原料中，成为一种不可忽视的因素。然而，迄今为止，尚无关于由此

2、引入的添加剂对碳化硼烧结和力学性能影响的研究报道。本论文工作首先研究的是不同种类的球磨介质引入的添加剂对碳化硼烧结性能和力学性能的影响。使用的球磨介质材料有聚甲醛(POM)、氧化铝(A1203)、氧化锆(Zr02)和氮化硅(Si3N4)。研究结果表明，三种无机材料磨球在混料过程中引入的添加剂使碳化硼的烧结致密度提高明显：使用舢203磨球的样品相对密度达到98．9％，使用Si3N4磨球的样品相对密度为97．9％，使用Zr02磨球的样品相对密度最小，但也达到了96．5％。而使用聚甲醛磨球的样品的致密度基本与直接烧结碳化硼粉末得到的致密度相同，相对密度仅为91％。此外，Zr02球磨的碳化硼

3、烧结样品的抗折强度在三种磨球情况下为最高，达到630MPa；A1203球磨的碳化硼样品得到最大的弹性模量，为379GPa；Si3N4球磨的碳化硼样品则得到最好的硬度性能，其维氏硬度值为30GPa。采用聚甲醛为磨球材料对样品的力学性能则没有影响。针对碳化硼粉料中存在的游离碳，分别采用两种含硼量较多的硼化物作添加剂：SiB6和A182，研究了SiB6或A182二种不同添加剂含量对碳化硼陶瓷的烧结和力学性能的影响(相关工作未见报道)。以聚甲醛球作为球磨混料介质，热压烧结制备直接添加2wt％和5wt％SiB6或A182的碳化硼陶瓷。研究结果表明：A182和SiB6都能有效地促进碳化硼的烧结致

4、密化并且提高其力学性能。SiB6添加量为2wto／o时，样品的密度为2．5159／era3，综合力学性能最佳，抗折强度和维氏硬度分别为426MPa和31．2GPa。增加SiB6添加量为5wt％，上述性能反而有所下V上海大学硕士学位论文降。二种SiB6添加量都使碳化硼陶瓷的断裂韧性达到3．2MPa·m忱。A182添加剂的作用也与SiB6类似，但也有差别，SiB6提高的是陶瓷的抗折强度，而A12B提高的是陶瓷的弹性模量。A182的添加量为2wt％时，陶瓷的密度为2．529／cm3，综合力学性能也最佳，弹性模量和硬度分别达到了451GPa和30．9GPa。二种A182添加量都使碳化硼陶瓷的

5、断裂韧性达到3．2MPa·m怩。最后尝试采用化学沉淀的方法将添加剂均匀引入到碳化硼基体中。A1203对于碳化硼是一种有效的烧结助剂，但文献中多是以机械混合的方式引入氧化铝，并且没有考虑球磨介质在其中的影响。本论文工作以化学沉淀的方式将添加剂A1203引入到碳化硼起始粉料中，避开球磨带来的影响并将氧化铝更均匀地分散在碳化硼基体中，进而研究其对碳化硼烧结及力学性能的影响。将碳化硼粉末与氨水混合，并加入1wt％的PEI作为分散剂，制作成碳化硼粉末的悬浮液，然后把硝酸铝溶液滴定到该碳化硼悬浮液中，滴定过程中PH值控制在9到10之间，借助沉淀反应生成AI(OH)3，该沉淀产物会在加热过程中分解

6、成A1203，从而对碳化硼陶瓷的烧结和力学性能产生影响。结果表明，此法引入A1203添加剂同样能极大地促进碳化硼的致密度。样品的相对密度达到99．8％。硬度也可以实现31．7GPa的高值。关键词：碳化硼陶瓷，球磨工艺，热压烧结，硼化物VI上海大学硕士学位论文ABSTRACTBoroncarbidehassomebrilliantperformances，suchashighmeltingpoint，wearresistanceandhi曲hardness(nexttodiamondandc-BN)，duetothestrongcovalentbondingbetweenatoms．A

7、lsothestrongcovalentbondingresultsindecreaseofsinterability,thusmakesthedifficultytogetafullydensifiedmaterial．Infact，boroncarbideceramicsarehardlytoaccomplishdensificationbythepressurelesssinteringmethod．Generallythehot-pressedor