B4C/Al-Mg復(fù)合材料的制備及性能研究

王 濤

(西安科技大學(xué)材料學(xué)院，西安 710054)

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B4C/Al-Mg復(fù)合材料的制備及性能研究

王 濤

(西安科技大學(xué)材料學(xué)院，西安 710054)

用模壓成型法制備了B4C/Al-Mg復(fù)合材料。采用水靜力天平、抗折強(qiáng)度測定儀、X射線衍射儀和SEM對其物理性能、力學(xué)性能和晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌進(jìn)行了分析，研究了原料配方及燒結(jié)溫度對B4C/Al-Mg復(fù)合材料的晶型轉(zhuǎn)變、微觀形貌、體積密度、力學(xué)性能等的影響。結(jié)果表明，當(dāng)Al、Mg的配比為37.0%和3.0%，燒結(jié)溫度為1150 ℃時復(fù)合材料的綜合性能最佳，體積密度為2.40 g/cm3，抗折強(qiáng)度為303.67 MPa，硬度為79.4 HRC。

B4C/Al-Mg復(fù)合材料； 模壓成型法； 力學(xué)性能

1 引 言

碳化硼是一種重要的工程材料，其硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，在高溫下，其高溫硬度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地優(yōu)于金剛石和立方氮化碳[1]。同時，碳化硼具有高硬度、高模量、耐磨性好、密度小(2.52 g/cm3)、抗氧化性、耐酸堿性強(qiáng)以及良好的中子吸收性能等特點,現(xiàn)已被國內(nèi)外廣泛用作于防彈材料、防輻射材料、耐磨和自潤滑材料，特耐酸堿侵蝕材料，切割研磨工具以及原子反應(yīng)堆控制和屏蔽材料等[2，3]。但是單一碳化硼陶瓷材料具有兩個明顯弱點: (1) 碳化硼陶瓷的斷裂韌性很低 。(2) 原子間以牢固的共價鍵連接,共價鍵含量高達(dá)93. 9% ,很難燒結(jié)致密，為了改善碳化硼的韌性,做了大量的對B4C/Al 復(fù)合材料的研究[4-6]。對于B4C/ Al復(fù)合材料來說,碳硼鋁系統(tǒng)的反應(yīng)產(chǎn)物、界面結(jié)構(gòu)和形成穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝需要進(jìn)一步深入研究[7]。本文在Al基體上添加金屬Mg粉，采用模壓成型法制備了高性能的B4C/Al-Mg復(fù)合材料，同時討論了Al基體中Mg含量和燒結(jié)溫度等參數(shù)對復(fù)合材料晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌力學(xué)性能的影響。

2 實 驗

2.1 實驗原料

實驗所用原料規(guī)格、純度、粒度及生產(chǎn)廠家如表1所示。

表1 原料的技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The specificatons of materials

2.2 試樣制備

采用B4C、Al、Mg粉末原料，加入粘結(jié)劑,使用南京大學(xué)實驗儀器廠生產(chǎn)的XQM-2型行星磨混合60 min；混合均勻后，陳腐36 h;使用Y30-40型單柱液壓機(jī)用模壓成型制成240 mm×12 mm×6 mm的試樣; 在105 ℃將生坯烘到恒重，干燥后的樣品在氮氣保護(hù)電阻爐中，以5 ℃/min的升溫制度升到800 ℃，保溫30 min；再以20 ℃/min升溫至1000 ℃、1050 ℃、1100 ℃、1150 ℃、1200 ℃，保溫30 min，隨爐冷卻，得到B4C/Al-Mg復(fù)合材料制品。

2.3 性能測試

采用日本Rigalcu生產(chǎn)的D/max-3c型全自動X射線衍射儀，進(jìn)行樣品的相組成分析；使用日立公司生產(chǎn)的JSM-6460LV掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行樣品的微觀結(jié)構(gòu)。并測試了試樣的體積密度、吸水率、抗折強(qiáng)度和硬度。

3 結(jié)果與討論

3.1 燒結(jié)溫度對樣品性能的影響

3.1.1 燒成溫度對吸水率、體積密度的影響

圖1、2為燒結(jié)溫度對試樣體積密度和吸水率影響規(guī)律圖，有圖可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，體積密度增加，吸水率逐漸減小；但燒結(jié)溫度升高至1150 ℃時，體積密度有所下降，吸水率增加。原因是燒結(jié)升高，顆粒和顆粒之間結(jié)合更緊密，晶界移動，氣孔率下降，致密度提高，吸水率下降。

圖1 燒結(jié)溫度對樣試體積密度的影響Fig.1 Effect of sintering temperature on density

圖2 燒結(jié)溫度對試樣吸水率的影響Fig.2 Effect of sintering temperature on water absorption

3.1.2 燒結(jié)溫度對試樣硬度和抗折強(qiáng)度的影響

如圖3，燒結(jié)溫度為800～900 ℃時抗折強(qiáng)度呈下降趨勢。結(jié)合圖4 XRD結(jié)果分析，在625～690 ℃反應(yīng)產(chǎn)物質(zhì)中生成了Al3BC和AlB2，而Al3BC和AlB2硬度均小于碳化硼[8]，所以降低了復(fù)合材料材料的強(qiáng)度。燒結(jié)溫度高于900 ℃時，材料的抗折強(qiáng)度有所升高，因為產(chǎn)生的Al3BC較少，形成較薄的一層沿B4C顆粒邊緣生長，增強(qiáng)了碳化硼和鋁鎂的界面結(jié)合，因此具有相對較大的強(qiáng)度。而且高溫下不斷熔融的金屬浸滲入碳化硼陶瓷骨架空隙中，使碳化硼顆粒之間界面結(jié)合更緊密，起到增強(qiáng)、增韌作用，提高了材料的抗折強(qiáng)度。

如圖5燒結(jié)溫度低于1050 ℃時復(fù)合材料的硬度小，主要是因為加入的鎂和鋁的硬度以及反應(yīng)生成的Al3BC和AlB2以及其他物質(zhì)硬度均小于碳化硼[9,10]。而且在溫度較低的情況下材料燒結(jié)不充分，相界面的結(jié)合強(qiáng)度低，樣品的致密度低，導(dǎo)致復(fù)合材料硬度低。當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1050～1200 ℃，復(fù)合材料硬度呈上升趨勢，1160 ℃時硬度達(dá)到了較大值，由樣品的微觀形貌(圖6)可知，在1160 ℃燒結(jié)的樣品致密度較大，氣孔細(xì)小且分布均勻，淺色部分是碳化硼等硬質(zhì)物質(zhì)，其分布較均勻，因此，1160 ℃燒結(jié)的樣品硬度較大。結(jié)合XRD分析結(jié)果，在高溫下生成的Mg2Al3、MgAl2O4等物質(zhì)硬度高，提高了材料的整體硬度。同時高溫下生成的金屬合金溶液浸滲入陶瓷空隙中使其晶界間的結(jié)合強(qiáng)度提高也會提高復(fù)合材料的硬度[11,12]。

圖3 燒結(jié)溫度對試樣抗折強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of sintering temperature on flexural strength

圖4 含鎂3%試樣1160 ℃燒結(jié)的XRD圖Fig.4 XRD pattern of sample when Mg content is 3%, sintering temperature is 1160 ℃

圖5 燒結(jié)溫度對試樣硬度的影響Fig.5 Effect of sintering temperature on hardness

圖6 含鎂3%試樣在1160 ℃燒結(jié)時SEM圖Fig.6 SEM image of sample when Mg content is 3%, sintering temperature is 1160 ℃

3.2 原料配比對樣品性能的影響

3.2.1 原料配比對試樣吸水率和體積密度的影響

由圖7可知：隨著Al含量增加，Mg含量減少，試樣的體積密度整體呈上升趨勢。主要原因是：鎂和鋁在一定配比(37∶3)情況下生成的合金熔融體Al3Mg2(XRD分析結(jié)果所示)對碳化硼的潤濕性良好，提高了碳化硼顆粒結(jié)合的緊密程度。同時，鋁在高溫下形成較大的鋁蒸汽壓，排出了部分空氣，使坩堝中保持較好的還原氣氛，防止了碳化硼與氧氣和氮氣的反應(yīng)，避免生成一些不利于提高樣品性能的物質(zhì)，有利于燒結(jié)體致密度的提高[13]。比例合適的Al和Mg可以形成充足的金屬熔融體包裹B4C顆粒，且與B4C反應(yīng)生成Al3BC、Mg2B2O5、Mg3BN3(XRD分析)等物質(zhì)，對樣品體積密度的提高也有一定的作用[14]。

由圖8可知，1000 ℃燒結(jié)的樣品，隨著Al含量增加，Mg含量減少，吸水率下降較大，由15%下降到3%；燒結(jié)溫度從1050～1200 ℃，Al含量由25%～37%，吸水率下降?？梢?，隨著原料配比中Al含量的增加，試樣的吸水率降低。Al和Mg的百分含量分別為37%、3%時，吸水率達(dá)到最小。原因是：充足的鋁鎂在高溫下生成的熔融Al3Mg2(XRD圖譜分析結(jié)果),能夠完全潤濕B4C顆粒，促進(jìn)燒結(jié),試樣的致密度的增加，氣孔率減少，吸水率降低。同時，由圖 所示的掃描電鏡圖片可知，含37%Al含Mg 3%在1160 ℃燒結(jié)的樣品的致密度大，樣品分布較均勻。

圖7 原料配比對試樣密度的影響Fig.7 Effect of content of Mg and Al on density

圖8 原料配比對試樣吸水率的影響Fig.8 Effect of content of Mg and Al on water absortion

3.2.2 原料配比對抗折強(qiáng)度和硬度的影響

如圖9，10所示，試樣的抗折強(qiáng)度隨著Al含量的增加而提高，硬度呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。原因是Al熔融后潤濕B4C顆粒形成緊密的接觸界面，提高了密度，Al含量高時能較完整的包裹碳化硼顆粒，提高材料的力學(xué)性能。

圖9 原料配比對試樣抗折強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of content of Mg and Al on flexural strength

圖10 原料配比對試樣硬度的影響Fig.10 Effect of content of Mg and Al on hardness

由于金屬鋁鎂較軟，容易被磨損，金屬相凹陷下去，在低倍顯微照片中呈現(xiàn)深灰色，而較硬的B4C陶瓷相突起，呈現(xiàn)出淺亮色。圖所示的淺色部分是B4C或者B4C與鎂鋁生成的物質(zhì)構(gòu)成的骨架，而填充于骨架中的深色部分主要是鎂鋁合金或者硬度較小的生成物。這種結(jié)構(gòu)使得復(fù)合材料的性能有了較大提高[15]。

此外，由于碳化硼燒結(jié)要防止氧化，而較多的金屬鋁可以在剛玉坩堝內(nèi)形成較大的鋁蒸汽壓，從而形成還原氛圍，避免了碳化硼陶瓷的氧化，從而形成致密燒結(jié)體，對其強(qiáng)度的提高起到了很大作用。

3.3 Mg在復(fù)合材料中所起的作用

在Al中添加少量易揮發(fā)元素Mg后，明顯可以改善Al對B4C的潤濕性。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，金屬Mg的熔點650 ℃，沸點1100 ℃左右，Al中的Mg揮發(fā)會破壞Al表面氧化膜的完整性；Mg氣體還能驅(qū)趕爐中剩余的空氣，逐漸在爐中造成無O2環(huán)境，故改善了Al對B4C的潤濕性[16]。

高溫下反應(yīng)時，Mg和O的親和力大于Al和O的親和力，化學(xué)反應(yīng)式為：

3Mg+Al2O3=3MgO+2Al

此反應(yīng)造成Al表面氧化膜破裂，改善Al和B4C的潤濕性，提高了界面結(jié)合，從而提高了復(fù)合材料的性能。

4 結(jié) 論

(1)原料配比為B4C∶Al∶Mg=60∶37∶3時，燒結(jié)溫度1160 ℃，保溫1.5 h，材料的性能最佳。體積密度為2.40 g/cm3，硬度為79.40 HRC，抗折強(qiáng)度為303.67 MPa;

(2)XRD分析表明，燒結(jié)試樣中含有B4C、AlB2、AlB12C2、Mg2Al3、Mg3N2、MgAl2O4、Al、Mg等及少量的Al3BC和Al2O3相;

(3)1200 ℃以下，隨著燒結(jié)溫度升高，材料的性能提高；含鋁量在40%以下，隨著含鋁量的增加，材料性能提高;

(4)在Al基體中添加少量易揮發(fā)元素Mg后，可以明顯改善Al對B4C的潤濕性。

[1] 于 良，余新泉，邵 磊.無壓浸滲制備B4C/Al復(fù)合材料工藝的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報，2007，21(10):106-107.

[2] Zhang J X,Jiang D L,Lin Q L.Aqueous processing of boron carbide powders[J].JournaloftheCeramicSocietyofJapan,2008,116(6):681-684.

[3] 方 園，丁華東，傅蘇黎,等.碳化硼-金屬復(fù)合材料的研究[J].材料導(dǎo)報，2008，22(8)：400-401.

[4] 李 青，華文君，崔 巖,等.無壓浸滲法制備B4C/Al復(fù)合材料研究[J].材料工程，2003,4:17-20.

[5] 郝元愷，姜冀湘，趙 恂,等.碳化硼顆粒/鎂合金復(fù)合材料的工藝與性能[J].復(fù)合材料學(xué)報，2005，12(4).

[6] 丁 碩，溫廣武，雷廷權(quán).碳化硼材料研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工藝，2003,11(1)：101-104.

[7] 裴立宅，肖漢寧，祝寶軍，等.碳化硼粉末及其復(fù)相陶瓷的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2004,32(4).

[8] Kalandadze G I，Shalamberidze S O，Peikrishvili A B.Sintering of boron and boron carbide[J].JournalofSolidStateChemistry,2000,154(2):194-198.

[9] Karl A S，Lorenz S S，Lothar P.Mechanical properties of injection molded B4C-C ceramics[J].JournalofSolidStateChemistry,2007,133(6)，68-76.

[10] 喻佑華，吳偉杰.無壓燒結(jié)Al2O3/ZrSiO4復(fù)相陶瓷的研究[J].硅酸鹽通報,2014，33(6)：453-456.

[11] 李文輝，李文新.鋁、硅對碳化硼陶瓷性能的影響[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2002,7(4)：30-31.

[12] 唐 軍，譚壽洪，陳忠明，等.B4C-TiB2復(fù)相陶瓷的強(qiáng)韌化研究[J].無機(jī)材料學(xué)報,2007,12(2)：169-173.

[13] 楊亞云，林文松，段麗慧.SiC微粉加入對PIP法制備3D-Cf/SiC復(fù)合材料的影響[J].硅酸鹽通報，2015，34(11)：16-20.

[14] 薛向欣，王東山，張 瑩.Al含量對B4C-AlB12-Al復(fù)合材料性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報，2009,19(9)：1594-1600.

[15] Liu C H.Structure and properties of boron carbide with aluminum incorporation[J].MaterialsScienceandEngineering,2000,B72:23-26.

[16] 彭可武，吳文遠(yuǎn)，徐璟玉,等.B4C和Al在高溫條件下的化學(xué)反應(yīng)及相組成的研究[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2008,36(1)：16-19.

Preparation and Properties of B4C/Al-Mg Composite Material

WANGTao

(Department of Material,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China)

The B4C/Al-Mg composites were prepared by compression molding method, the crystal phases and micrographs were analyzed by XRD and SEM. The effect of Mg content and the sinter temperature on the volume density and mechanical properties of composite were studied. The results show: when Al and Mg contents are 37% and 3%, the sintering temperature is 1150 ℃，the mechanical properties of B4C/Al-Mg composites are best. The bending strength is 303.67 MPa, hardness is 79.4 HRC and volume density is 2.40 g/cm3.

B4C/Al-Mg composite material;molding processing method;mechanical property

王 濤(1978-)，女，講師.主要從事復(fù)合材料方面的制備及應(yīng)用研究.

TQ163

A

1001-1625(2016)09-2816-05