不同硼碳配比碳化硼陶瓷的SPS制備及其性能研究.pdf

1、碳化硼具有高硬度、高模量、低密度以及良好的耐磨性、抗氧化性、耐酸堿性、高溫?zé)犭娦院椭凶游招阅艿?，可廣泛用于機(jī)械、冶金、化工、航空航天、軍工和核工業(yè)等領(lǐng)域。但是，由于碳化硼的共價(jià)鍵含量高、塑性差、晶界移動(dòng)阻力大、燒結(jié)活化能低，使其燒結(jié)困難，而且傳統(tǒng)燒結(jié)方法制備的碳化硼的成分單一(硼碳比為4:1)，不能滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Χ嘟M分碳化硼的需求。 本文以高純硼粉和碳粉為原料，采用放電等離子燒結(jié)(SPS)技術(shù)制備不同配比的碳化硼陶瓷，研究

2、了碳化硼陶瓷的SPS燒結(jié)過程，探討了SPS工藝參數(shù)以及原料硼碳配比對(duì)碳化硼陶瓷物相、致密度、成分和力學(xué)性能的影響，在較低的燒結(jié)溫度下制備出高致密度、不同硼碳配比的碳化硼陶瓷。 首先，根據(jù)樣品在SPS過程中的Z軸位移、溫度和電流的變化曲線，可以將碳化硼的SPS反應(yīng)燒結(jié)大致分為5個(gè)階段：階段2和4的兩次收縮分別是由硼、碳反應(yīng)合成碳化硼以及碳化硼的燒結(jié)致密化所造成；階段1和階段3的膨脹由原料和合成碳化硼的受熱膨脹所引起，階段5的膨脹由

3、碳化硼晶粒的生長(zhǎng)所造成。 結(jié)合XRD、Raman和SEM等測(cè)試方法可以得出，硼和碳反應(yīng)生成碳化硼的起始溫度在1100℃左右，致密化起始溫度在1650℃左右，快速致密化則發(fā)生在1700℃～1800℃階段。隨燒結(jié)溫度的升高，碳化硼的致密度逐漸增大，且碳原子逐漸進(jìn)入硼原子晶格使碳化硼的晶面間距減小，1800℃時(shí)可得到致密度為98.2％的碳化硼陶瓷。 燒結(jié)壓力越大，越有利于硼和碳的反應(yīng)合成以及碳化硼的致密化燒結(jié)；保溫時(shí)間在6mi

4、n以內(nèi)，碳化硼的致密度隨保溫時(shí)間成線性增大，再延長(zhǎng)保溫時(shí)間，由于“反致密化”現(xiàn)象，致密度反而降低；適中的升溫速率下得到的碳化硼陶瓷的物相較純，致密度較高；采用兩步保溫的升溫程序能有效促進(jìn)燒結(jié)體的致密化。適宜的SPS工藝條件為：燒結(jié)溫度1800℃，燒結(jié)壓力40MPa，保溫時(shí)間6min，升溫速率100℃/min。 對(duì)碳過量進(jìn)行分析，可以得知，由于原料中的碳未反應(yīng)完全、燒結(jié)石墨模具中的碳在高溫下的擴(kuò)散以及硼在高溫下的揮發(fā)損失等造成燒結(jié)

5、樣品中存在游離碳。隨原料硼碳比的增加，燒結(jié)樣品中石墨相的含量逐漸減少，當(dāng)B/C≥6.0時(shí)，石墨相消失，獲得了物相較純的碳化硼。通過化學(xué)成分分析建立了碳化硼的組成偏離經(jīng)驗(yàn)曲線，通過該曲線可由原料硼碳比對(duì)SPS燒結(jié)碳化硼的組成進(jìn)行有效控制。 最后，對(duì)不同硼碳配比碳化硼的燒結(jié)及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。不同硼碳比的原料反應(yīng)燒結(jié)后得到的碳化硼的致密度在95％～98.5％之間，硼碳配比較大的樣品(如B/C=5.5，6.0，8.0，10.0)在S

6、PS燒結(jié)過程中的膨脹量較小，致密化收縮的起始時(shí)間較早，可以更有效促進(jìn)碳化硼的燒結(jié)。硼碳配比對(duì)反應(yīng)合成碳化硼陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)無明顯影響，不同硼碳配比碳化硼陶瓷具有相似的顯微結(jié)構(gòu)：由較致密、尺寸在1μm左右的晶粒和形狀不規(guī)則、分布不均勻的孔洞組成。 隨硼碳配比的增加，反應(yīng)合成碳化硼陶瓷的楊氏模量逐漸增大，不同硼碳配比碳化硼陶瓷的楊氏模量不小于265.2GPa。隨硼碳配比的增加，反應(yīng)合成碳化硼陶瓷的維氏硬度先增大后減小，在B/C=6.0