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掺CeO_2的B_4C与B_4C/Al材料力学性能和显微组织的研究

宁福虎  
【摘要】:碳化硼具有优异的综合性能,低密度、高的化学稳定性以及高的耐磨性,广泛应用于电子、宇航和军事以及其它高科技领域。但是碳化硼在性能方面有一个致命的缺点,即,单一碳化硼材料的断裂韧性很低,只能达到2-3MPa·m1/2,极大地限制了碳化硼材料的应用。针对这一问题,文中研究了氧化铈对热压烧结碳化硼和铝复合碳化硼材料力学性能和显微组织的影响进行了研究。 为增强单一碳化硼材料的韧性,采用浸渗铝的方法制备了CeO2/B4C/Al复合材料。CeO2/B4C/Al复合材料结合了铝金属与碳化硼陶瓷的优良性能,弥补了铝金属硬度不足和碳化硼陶瓷脆性过大的缺陷。 采用XRD和TG-DTA方法对B4C与Al在添加剂CeO2作用下的高温化学反应过程进行了研究。研究结果表明:Al3BC和AlB2是较低温度下的反应产物,是在625-690℃温度区间反应生成的。AlB12C2相是在1320-1350℃温度区间反应生成的,同时生成了Al3BC和AlB2。此外,向B4C中添加稀土氧化物,原位生成稀土硼化物能大大提高其强度和韧性。 采用显微压痕、三点弯曲、单边切口梁等实验方法测试了复合材料的力学性能,通过XRD、SEM以及TEM等现代分析测试技术对CeO2/B4C/Al复合材料的组织形貌、断口形貌和相组成进行了分析。研究结果表明:CeO2/B4C/Al复合材料断裂韧性提高了75.27%,经无压浸渗制得的CeO2/B4C/Al复合材料具有较为均匀、致密的组织。从CeO2/B4C/Al复合材料断口形貌确定了其断裂方式主要是以沿晶断裂为主,同时有沿陶瓷骨架的穿晶断裂,铝金属起到增韧的作用。在CeO2/B4C/Al复合材料中,最主要的增韧方式为金属增韧,在浸渗的过程中,铝和碳化硼反应生成了Al3BC,填充了碳化硼颗粒之间的空隙,提高了界面处的结合强度。通过透射电镜还分析了CeO2/B4C/Al复合材料中的组织缺陷,材料在烧结过程中产生高密度的片层孪晶结构,在透射电镜下呈直线,孪晶沿(111)面生成。 在保障碳化硼材料硬度不降低的前提下,为了提高其韧性,向碳化硼中添加氧化铈,热压烧结制备了CeO2/B4C陶瓷材料。SEM研究发现,随着氧化铈添加量的增加,碳化硼烧结制品的微观组织发生了较大的变化,最明显的变化是气孔率大幅度降低,没有出现明显的晶粒长大现象。阿基米德法研究发现,CeO2/B4C陶瓷材料的密度逐渐变大,其烧结的实际密度均能达到理论密度的96%以上,其中最高的可以达到理论密度的96.9%。力学测试证明,添加2%CeO2热压烧结B4C材料在硬度为37.59GPa时,断裂韧性达到了5.30MPa·m1/2,比单一热压烧结B4C材料的断裂韧性提高了44%。XRD实验发现在烧结过程中B4C和Ce02在高温下生成了CeB6,通过热力学计算明确了生成CeB6的反应温度为1417℃,化学反应方程式是:3B4C+2CeO2+C=2CeB6+4CO。原位生成的稀土硼化物对碳化硼材料断裂韧性的提高起了主要作用,基体B4C和第二相CeB6颗粒热膨胀系数不匹配产生的残余应力导致的裂纹偏转和绕道是主要的增韧机理。


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