B4C—SiC復(fù)合材料的制備及性能研究

李少峰

摘 要：以碳化硼為基體，碳化硅為增強(qiáng)相，炭黑為燒結(jié)助劑，通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝制備了B4C-SiC復(fù)合材料。測(cè)試了其力學(xué)性能，并借助SEM對(duì)燒結(jié)體進(jìn)行斷口形貌觀察。結(jié)果表明：在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)SiC添加量在9 wt%時(shí)材料力學(xué)性能最佳，體積密度為2.548 g/cm3，相對(duì)密度為99.6 %，抗彎強(qiáng)度為403 MPa，斷裂韌性為5.26 MPa·m1/2。顯微組織結(jié)構(gòu)致密，晶粒細(xì)小、均勻。增韌機(jī)理主要為SiC顆粒彌散引起的釘扎效應(yīng)和裂紋偏轉(zhuǎn)。

關(guān)健詞：碳化硼；碳化硅；復(fù)合材料；熱壓燒結(jié)

1 前言

碳化硼由于具有高硬度（僅次于金剛石和立方氮化硼）、比重?。?.52 g/cm3）、彈性模量高（450 GPa）、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱率好以及良好的中子吸收能力等特點(diǎn)，因此在機(jī)械密封行業(yè)、輕質(zhì)防彈裝甲、硬質(zhì)磨削材料、耐磨軸承、高級(jí)耐火材料、航空航天、核反應(yīng)堆的屏蔽材料等諸多領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用[1，2]。但是由于碳化硼的共價(jià)鍵分?jǐn)?shù)高達(dá)93.94 %，高于其他結(jié)構(gòu)陶瓷，如SiC（88 %），Si3N4（70 %）等[3]，因此，純碳化硼很難燒結(jié)致密，需要添加燒結(jié)助劑來(lái)活化燒結(jié)。同時(shí)碳化硼是一種脆性材料，斷裂韌性KIC≤2.2 MPa·m1/2 [4]，需要加入其他物質(zhì)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)增韌。

熱壓燒結(jié)是一種壓制成形和燒結(jié)同時(shí)進(jìn)行的粉體材料成形工藝。將粉末裝在加壓模具內(nèi)，在專門的熱壓設(shè)備中進(jìn)行加壓的同時(shí)把粉末加熱到熔點(diǎn)以下，在高溫下雙向或單向施壓成形的過(guò)程[5，6]。在熱壓燒結(jié)過(guò)程中，高溫高壓的交互作用使粉體顆粒的粘性、塑性流動(dòng)及原子的擴(kuò)散能力得以加強(qiáng)，同時(shí)顆粒與顆粒之間的接觸點(diǎn)因具有較大的接觸電阻，在燒結(jié)時(shí)的大電流下產(chǎn)生電弧放電或局部大量發(fā)熱，且由于電磁場(chǎng)的作用進(jìn)一步加快了原子的擴(kuò)散，有利于燒結(jié)頸的形成和長(zhǎng)大，具有催化和活化燒結(jié)的功效，并有利于坯件的燒結(jié)，降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時(shí)間、使性能得以提高。熱壓燒結(jié)具有燒結(jié)時(shí)間短、燒結(jié)溫度低、產(chǎn)品性能高、晶粒細(xì)小等優(yōu)點(diǎn)，但一般用于制備形狀簡(jiǎn)單的制品[7]。

因此，本文以B4C為基體，SiC為增強(qiáng)相，C為燒結(jié)助劑，通過(guò)熱壓燒結(jié)制備了B4C-SiC復(fù)合材料。探討了SiC的加入量對(duì)復(fù)合材料性能的影響，并討論了其增韌機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1原料

采用牡丹江金剛鉆碳化硼有限公司生產(chǎn)的B4C，粒度2.5 μm，純度≥99.4%；市售工業(yè)用SiC，粒度1 μm，純度≥99%；半補(bǔ)強(qiáng)炭黑，灰分≤0.01 %。

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

各配方組分按表1中的比例稱量，加入球磨罐，以80%含水酒精為研磨介質(zhì)，以碳化硅球磨子為球磨介質(zhì)，球料比5：1，球磨8 h后烘干過(guò)60目篩待用。按所需粉末重量稱量，倒入石墨模具中，放入真空熱壓爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)。燒成制度為：溫度1950℃，壓力30 MPa，保溫時(shí)間30 min。燒結(jié)后試樣尺寸為50 × 40 × 6 mm。

由公式（1）和（2）計(jì)算復(fù)合材料的理論密度和燒結(jié)體的相對(duì)密度。

ρ理=（1）

式中：ρ理——試樣的理論密度（g/cm3）；

a%，b%——試樣中a，b為組元的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；

da，db——試樣中a，b為組元的理論密度（g/cm3）。

ρ相對(duì)=ρ測(cè)/ ρ理 （2）

式中：ρ相對(duì)——試樣的相對(duì)密度（g/cm3）；

ρ測(cè)——試樣的測(cè)試密度（g/cm3）；

ρ理——試樣的理論密度（g/cm3）。

2.3性能檢測(cè)

經(jīng)過(guò)內(nèi)圓切割、平磨、研磨拋光后，試樣尺寸為4 × 3 × 40 mm，采用三點(diǎn)法測(cè)試材料的抗彎強(qiáng)度，跨距20 mm；用單邊缺口梁法測(cè)試材料的斷裂韌性，缺口深0.5 mm，寬0.2 mm；根據(jù)阿基米德原理測(cè)試材料的體積密度；用JSM-6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）對(duì)試樣進(jìn)行斷口形貌表征。用Vickers壓痕法觀察裂紋的擴(kuò)展形態(tài)。

3 結(jié)果與討論

3.1試樣的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)

B4C-SiC復(fù)合材料燒結(jié)體性能指標(biāo)見表3。

由上圖表可見，添加2 wt%的半補(bǔ)強(qiáng)炭黑的S1試樣的斷裂韌性達(dá)到3.82 MPa·m1/2，比純碳化硼的斷裂韌性有較大提升，說(shuō)明炭黑作為燒結(jié)助劑可以有效地提高碳化硼的燒結(jié)活性。另外，添加SiC可以顯著的提高材料的性能，隨著SiC加入量的增加，試樣的力學(xué)性能先增加后降低，可能是因?yàn)椋S著SiC的添加量的增加，SiC顆?？梢跃鶆虻姆稚⒃贐4C顆粒周圍，在晶界處起到釘扎效應(yīng)，阻礙碳化硼晶界移動(dòng)，使得晶粒細(xì)小均勻，隨著致密度的提高，材料的性能得以提升。當(dāng)添加量達(dá)到9 wt%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，相對(duì)密度達(dá)到99.6 %，接近理論密度，抗彎強(qiáng)度達(dá)到403 MPa，斷裂韌性達(dá)到5.26 MPa·m1/2。當(dāng)添加量繼續(xù)增加時(shí)，可能是由于SiC在B4C晶界處富集而產(chǎn)生了較大的團(tuán)聚體，所以導(dǎo)致產(chǎn)品性能的下降。

在陶瓷材料中，氣孔等斷裂源的存在是致命的，它們會(huì)顯著降低陶瓷材料的力學(xué)性能。圖4為試樣S4的顯微結(jié)構(gòu)圖片（SEM），由圖中可以看到，斷口形貌組織結(jié)構(gòu)致密均勻，晶粒細(xì)小，組織間夾雜及氣孔等斷裂源比較少，試樣材料的致密度很高。斷裂面蜿蜒曲折，既有穿晶斷裂，又有沿晶斷裂，穿晶斷裂意味著抗折強(qiáng)度高，而沿晶斷裂意味著斷裂韌性好。純碳化硼的斷裂面主要是穿晶斷裂，斷裂面比較平滑，這就是碳化硼材料斷裂韌性低的主要原因[8]。因此，如果一種材料想要同時(shí)擁有較高的抗折強(qiáng)度和斷裂韌性，那么斷口形貌必須穿晶斷裂和沿晶斷裂兩種方式共存。在B4C材料中添加SiC顆粒后，使得碳化硼材料的斷裂方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，因此力學(xué)性能提高。圖4充分地解釋了試樣S4力學(xué)性能較好的原因。

3.2增韌機(jī)理

本實(shí)驗(yàn)主要采用SiC顆粒在B4C基體中彌散進(jìn)行增韌。顆粒補(bǔ)強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的增韌機(jī)理主要有裂紋偏轉(zhuǎn)增韌、微裂紋增韌及釘扎效應(yīng)等[9]。材料在受到一定外力的作用時(shí)發(fā)生斷裂，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)、分叉會(huì)消耗更多的能量，路徑越蜿蜒曲折，分叉越多，消耗的能量就越多，裂紋路徑擴(kuò)展的長(zhǎng)度越短，預(yù)示著材料的斷裂韌性越高。圖5為試樣S4受壓力后產(chǎn)生的裂紋的傳播路徑，由圖中可以看出，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中，路徑有明顯的偏轉(zhuǎn)，這種形貌意味著材料的斷裂韌性較好，同時(shí)圖5也從側(cè)面證明了圖4中穿晶斷裂和沿晶斷裂共存的現(xiàn)象。因此，在本實(shí)驗(yàn)條件下，B4C-SiC復(fù)合材料的增韌機(jī)理主要為SiC顆粒彌散引起的釘扎效應(yīng)和裂紋偏轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)條件下，添加半補(bǔ)強(qiáng)炭黑可以有效增強(qiáng)B4C-SiC復(fù)合材料的燒結(jié)活性。以SiC作為增韌補(bǔ)強(qiáng)相可以顯著提高B4C材料的力學(xué)性能，當(dāng)添加量為9 wt%時(shí)力學(xué)性能最好，其抗彎強(qiáng)度為403 MPa，斷裂韌性為5.26 MPa·m1/2，相對(duì)密度達(dá)到99.6 %，接近理論密度。B4C-SiC復(fù)合材料的增韌機(jī)理主要為SiC顆粒彌散引起的釘扎效應(yīng)和裂紋偏轉(zhuǎn)。

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