硼化鎢材料的制備與性能研究.pdf

1、本實(shí)驗(yàn)采用元素合成法制備W2B5粉體，并通過添加Ni為燒結(jié)助劑燒結(jié)制備W2B5材料，考察了燒結(jié)助劑添加量及燒結(jié)溫度對(duì)W2B5材料顯微組織結(jié)構(gòu)及室溫力學(xué)性能的影響，評(píng)價(jià)了W2B5材料高溫抗氧化性能及硼化鎢復(fù)合材料的中子屏蔽性能，初步研究了自蔓延冶金法制備硼化鎢粉體。本研究將對(duì)硼化鎢材料的研制有著重要意義，為探索硼化鎢材料基本性能并將其用于冶金、建材、核電、醫(yī)療、航空、國防等領(lǐng)域提供必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。
　　選用W、B單質(zhì)為原料

2、，采用元素合成法制備W2B5粉體。首先對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)地進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算及W-B二元相圖分析;其次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過XRD分析可知，W∶B=1∶2.5，在1500℃下保溫1h可以合成純凈的W2B5粉體，W-B體系的傳質(zhì)方式受控于1500℃高溫下B原子向W原子的擴(kuò)散。
　　選用Ni為燒結(jié)助劑高溫?zé)Y(jié)制備W2B5材料，系統(tǒng)地研究了燒結(jié)助劑添加量及燒結(jié)溫度對(duì)材料燒結(jié)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Ni的加入及燒結(jié)溫度的提高有助于材料體積收縮、降低材料

3、氣孔率及提高材料的相對(duì)密度，當(dāng)Ni添加量為3wt％，1500℃高溫下燒結(jié)時(shí)，材料的體積收縮率、氣孔率及相對(duì)密度均達(dá)到最佳，依次為44.56％、2.87％及95.48％。XRD表明無添加劑加入時(shí)有助于W2B5材料的制備，當(dāng)Ni加入后，檢測(cè)產(chǎn)物依然僅為W2B5，并未檢測(cè)出Ni。Ni的添加量及燒結(jié)溫度對(duì)顆粒尺寸及形貌有很大影響，當(dāng)無燒結(jié)助劑加入，1500℃下燒結(jié)時(shí)，材料的顆粒約為1μm的準(zhǔn)球狀，顆粒間疏松多孔，隨著Ni的添加，顆粒生長為6-1

4、0μm的針棒狀，且顆粒間緊密結(jié)合;同時(shí)隨燒結(jié)溫度的提高，材料顆粒間孔洞減少，顆粒尺寸長大，1500℃時(shí)，SEM觀察表明Ni能夠均勻地分散在W2B5基體之間。隨著Ni的加入及燒結(jié)溫度的提高，W2B5材料的室溫力學(xué)性能增強(qiáng)，當(dāng)Ni添加量為3wt％，1500℃高溫下燒結(jié)時(shí)，材料的抗彎強(qiáng)度及維氏顯微硬度均達(dá)到最佳，依次為240MPa及2563.06MPa，材料抗彎強(qiáng)度斷口SEM觀察表明為穿晶斷裂，且彌散狀Ni填充在W2B5基體之間。
　　

5、W2B5材料氧化行為實(shí)驗(yàn)中，熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果顯示，W2B5材料在1000-1200℃會(huì)被空氣氧化，隨著氧化溫度的升高，氧化反應(yīng)更容易發(fā)生。差熱-熱重測(cè)試表明，W2B5材料在750-800℃開始被氧化，氧化溫度低于1000℃時(shí)，氧化反應(yīng)進(jìn)行的很緩慢。氧化動(dòng)力學(xué)及氧化產(chǎn)物的XRD、SEM分析顯示，W2B5材料氧化后產(chǎn)物為WO3和B2O3，不同溫度下，材料的氧化方式不同。1000-1100℃時(shí)，生成的液態(tài)B2O3覆蓋在球狀WO3周圍，形成穩(wěn)定的

6、保護(hù)膜，阻止了氧化反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，此時(shí)，氧化速率受氧化層中元素?cái)U(kuò)散控制;1200℃時(shí)，液態(tài)B2O3汽化揮發(fā)，促進(jìn)WO3尺寸生長，氧化層厚度增加至120μm，且出現(xiàn)部分氧化層脫落的現(xiàn)象，此時(shí)，氧化速率受氧化界面上化學(xué)反應(yīng)控制。W2B5材料的氧化激活能為93.07kJ/mol。
　　對(duì)硼化鎢復(fù)合材料的中子屏蔽性能測(cè)試結(jié)果顯示，隨著硼化鎢含量的增加，材料的中子屏蔽性能呈線性增強(qiáng)，當(dāng)硼化鎢含量為70wt％時(shí)，材料的中子屏蔽率達(dá)到93.2

7、％。
　　初步探討了自蔓延冶金法制備硼化鎢粉體，Mg-B2O3-W體系絕熱溫度計(jì)算表明，體系絕熱溫度Tad=2987K＞1800K，說明該體系的自蔓延反應(yīng)容易發(fā)生;同時(shí)對(duì)體系中可能發(fā)生反應(yīng)的吉布斯自由能進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示體系中可能會(huì)生成W2B5、WB及MgO。對(duì)自蔓延反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析顯示，生成產(chǎn)物主要為W2B5、MgO及少量的WB和Mg3B2O6，Mg及B2O3的適當(dāng)過量有助于W2B5的生成。采用HCl溶液對(duì)燃燒產(chǎn)物進(jìn)行浸出