碳化硼陶瓷增韧补强和致密化研究现状及其展望

碳化硼陶瓷增韧补强和致密化研究现状及其展望 碳化硼陶瓷增韧补强和致密化研究现状及 其展望 碳化硼陶瓷增韧补强和致密化研究现状及其展望/孙军龙等?401? 碳化硼陶瓷增韧补强和致密化研究现状及其展望 孙军龙邓建新刘长霞 (山东大学机械工程学院,济南250061) 摘要碳化硼陶瓷具有极高的硬度,然而其低韧性,低抗弯强度,难以致密化限制了 它的广泛应用.已有一些 研究集中于碳化硼陶瓷增韧补强和致密化,对这一方面国内外研究进展进行了归 纳与评述,阐明各种增韧补强和致密 化 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的优缺点,提出碳化硼陶瓷增韧补强和致密化研究值得发展的一些方向. 关键词碳化硼增韧补强致密化 DevelopmentandPerspectiveofTougheningandStrengtheningand DensificationofBoronCarbideCeramic SUNJunlongDENGJianxinLIUChangxia (DepartmentofMechanicalEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061) AbstractBoroncarbidehasoutstandinghardness.widespreaduseofthematerialiS1imited,h owever,duetO lowtoughnessandbendingstrengthandhighsinteringtemperaturesthatarerequiredforitsde nsification.Thereare someresearchesfocusingontougheningandstrengtheninganddensificatiorLThestate一 0f-the—artanddevelopmentare reviewedinthearticle.Furthermore,theadvantagesanddisadvantagesofvariousmethodsar eanalyzed,andsome promisingdirectionsarepointedout. Keywordsboroncarbide,tougheningandstrengthening,densification 0引言 碳化硼陶瓷硬度超过30GPa_1],仅次于金刚石和立方氮 化硼,是一种有希望广泛应用于需要高硬度,高抗磨损性场合的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 .有学者利用BC/SiCw,BC/(W,Ti)C[3]作为喷嘴材 料,取得了不错的效果.碳化硼陶瓷还具有良好的中子吸收能 力,是核工业中理想的防护材料_6].但是,碳化硼陶瓷烧结温度 极高:如用热压法制备完全致密化的纯BC,温度超过 2300?_7];而且,其断裂韧性和抗弯强度只有2.5M_2a?m".和 300MPa.这些缺点限制了碳化硼陶瓷在工程领域的推广. 本文综述了碳化硼陶瓷增韧补强和致密化研究现状,以期 指导获得更好,更有效的碳化硼陶瓷增韧补强和致密化方法. 1碳化硼陶瓷增韧补强研究现状 增韧补强碳化硼的方法主要包括颗粒,晶须两种,前者的增 韧机理主要有微裂纹增韧,裂纹偏转增韧以及促使断裂方式由 穿晶断裂向沿晶断裂转变;后者增韧机理主要是裂纹偏转增韧, 桥联增韧,拔出效应;补强机制主要在于细化晶粒,防止晶粒异 常长大,减小缺陷以及增强相具有较高的弹性模量. 1.1颗粒增韧补强 增韧碳化硼所用的颗粒主要包括TiB2,w2B5,金属颗粒, (w,Ti)C,C,SiC等.硼化物颗粒应用较为广泛,效果也比较理 想;BC与金属润湿性差,限制了金属的加入量,而且由于金属 的抗氧化性,耐腐蚀性差,金属的加入往往会降低碳化硼的化学 稳定性. 唐军等[向碳化硼中添加TiB2发现,复合材料断裂韧性随 T含量的增多而增大,最高可达6.4MPa?m".增韧机理 主要是基体与增强相热膨胀系数不同引起裂纹偏转增韧.抗弯 强度先随TiB2含量的增加而增大,TiB2含量为30vol时达到 最高725MPa,此后开始减小.TiB2使基体一侧产生压应力且 抑制基体晶粒的长大,因此抗弯强度增大;同时TiB2颗粒 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面 存在拉应力损害抗弯强度,当拉应力占优势时导致抗弯强度减 小.邓建新等[.利用BC与(w,Ti)C原位反应生成的TiB2/ wI35协同增韧BC,韧性达到3.9MPa?m.,平均抗弯强度 达693MPa.在烧结温度为1850?时,保温时间小于50min,抗 弯强度随保温时间的延长而增大;超过50min抗弯强度随保温 时间的延长而减小. BC/Me复合材料界面的结合强度很高,难以产生大量 微裂纹.为了进一步改善材料性能,可以向BC/MeBy复合 材料中加入适量的C或碳化物,产生足够的微裂纹,改善材料 力学性能.S.L.Dole等认为C能细化晶粒,增强BC烧结 性[.唐军等[m制备的BC/TiB2/C复合材料韧性提高至 7.6MPa?m".,比BC/Ti132复合材料韧性提高19.Zhen Yuhua等[1制备的BC/Ti132/SiC复合材料抗弯强度 554MPa,断裂韧性5.6MPa?m"..补强机理在于生成的新相 SiC和TiB2围绕在BC晶粒四周,限制了BC晶粒异常长大; 增韧机理在于弥散相SiC均匀分布于BC晶粒四周,当断裂发 生时作为缓冲器,新相促使裂纹发生偏转. *高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(2OO3O422O15);山东省自然科学 基金项目(Y2004F08) 孙军龙:男,1980年生,博士研究生,主要从事刀具材料开发和切削加工的研究 Tel:0531—8392853E-mail:sjlthink@163.com ?402?材料导报2005年11月第19卷专辑V 金属颗粒增韧补强BC尽管存在缺陷,但仍然是一种不错 的选择.李青等_12]制备的BC/Al复合材料抗弯强度可达 601MPa,断裂韧性为9.2MPa?m".,是因为金属Al将复合材 料中的固体微粒组合在均匀的物体系统中,并且促使复合材料 的断裂向沿晶断裂转变. KarlASchwetz等[]的研究成果(见表1)表明,利用热等 静压(HIP)方法处理BC/C复合材料能够改善复合材料性能. 因为BC(HIP)内部缺陷较小,根据Griffith理论缩小材料的内 部缺陷尺寸能改善材料性能I1.唐国宏等I1的研究也显示了 相同的结果. 表1热等静压Bc/c复合材料的性能比较 抗弯强度断裂韧性碳黑含量烧结温度烧结条件 MPaMPa?m/0 S484?412.9 2wt2175? HIPS564?463.2 S399?342.8 3wt2l75? HIPS474?583.2 注:HIPS表示经过HIP处理的烧结体,S表示没有经过HIP 处理的烧结体. 颗粒增韧碳化硼工艺较为简单,有助于推广使用.与向碳 化硼直接加入增韧补强颗粒相比,利用生成的新相增韧补强碳 化硼效果更好,值得大力研究.因为反应生成细小均匀的微米 级增强相能起到明显地细晶强化作用,在BC晶粒内部有可能 形成增强相纳米晶内结构,提高材料性能,又降低烧结温度_l. 1.2晶须增韧补强 使用晶须增韧补强碳化硼陶瓷的报道较少,用到的晶须主 要为SiCw.邓建新等I3采用SiCw晶须增韧补强碳化硼陶瓷. 复合材料断裂韧性随SiCw晶须含量的增加逐渐增大;当SiCw 含量达到10时,抗弯强度达到520MPa,断裂韧性为4.9MPa ?m. ,硬度为34GPa.SiCw弹性模量比B4C基体高,SiCw的 加入可使陶瓷材料承受更大的载荷,提高抗弯强度.siCw含量 超过10,将导致复合材料抗弯强度出现缓慢减小的趋势. 李世波等_1]认为,向BC/AI03复合材料中加入SiCw晶 须,并没起到增韧效果,反而降低了BC/Alz()3复合材料的抗 弯强度,是因为部分SiCw与BC发生反应或在高温下生成固 溶体,削弱了界面结合力,阻止了致密化进程;而且,Alz()3以液 态存在,包裹了大部分SiCw晶须,被包裹的SiCw阻碍Alz03 的流动,导致复合材料的抗弯强度减小. 碳化硼陶瓷难以烧结,延长保温时间,升高烧结温度有利于 改善材料性能;但当保温时间过长,烧结温度过高,则会导致材 料晶粒异常长大,材料性能降低.因此,适合的保温时间和烧结 温度对获得优良性能的碳化硼陶瓷极为关键:既要保证碳化硼 充分烧结,又要避免晶粒异常长大.对于从穿晶断裂到沿晶断 裂转变对增韧的作用尚存在一些争议,AMiserez等_1]的研究 成果表明,大量穿晶断裂并非代表材料的韧性不高.因此,不能 将穿晶断裂机制等同于低韧性. 2碳化硼陶瓷致密化研究现状 提高碳化硼陶瓷致密率主要依靠高温烧结,液相烧结,细化 粉末粒径和反应烧结等方法.从效果来看,液相烧结提高碳化 硼陶瓷致密率作用明显,而且不利作用较小,是一种很有潜力的 方法. 2.1高温烧结 热压烧结时,温度升高至某一数值时碳化硼固体粉末软化, 此时易获得高致密率的碳化硼陶瓷. 表2不同温度时碳化硼陶瓷致密例 从表2可以看出,采用高温烧结可以提高碳化硼陶瓷致密 率;但是,单纯依靠高温烧结提高致密度时,存在两个主要不良 影响,一是高温烧结增加费用,二是可能会降低抗弯强度. 2.2液相烧结 液相烧结时,粒子在毛细管力作用下重新分布,填满材料中 的空隙,粉末中的气体易在液体中形成气泡逸出,从而减小气孑L 含量提高了致密率.用于形成液相的材料主要有Alz03, Y203,Al,Si等.蒋国新等[]向BC中添加5AI.03粒子,在 1750?时,复合材料相对密度达到96.Zhen等_1l_利用 Alz03+Y2()3液相烧结BC,也取得了很好的致密化效果.然 而,GiuseppeMagnani等l_21]认为BC/Al203/Y2()3复合材料制 备温度不能超过2000?,否则YAG边界被氧化,损害抗弯强 度.G.M.Bond等_2]研究AI/BC复合材料发现,液相Al围 绕着BC流动,几乎填满所有气孑L.BC/Al复合材料有一个 缺陷:它包含高温易分解的Al.C相,这种复合材料在气体环境 中不稳定[].而且李文辉等_2]认为,BC/Al复合材料最高相 对密度只能达到92.3.因此,比较理想的方法是采用Alz03, Y2()3形成液相,添加较少的量就可以获得较高的致密度,而且 不利影响较小. 99 98 97 96 95 篱94 督93 92 91 90 图1颗粒粒径对烧结温度的影响 姗 .J. ,哺好 碳化硼陶瓷增韧补强和致密化研究现状及其展望/孙军龙等?403? 2.3细化粉末粒径 在固相烧结中,粒径成为影响致密化的一个最主要的因素: 小粒径导致大的表面能.烧结动力学表明,随着表面能的增加, 烧结动力增加,因此致密率增加.李文辉等_25]采用无压烧结法 研究粉末粒径对碳化硼陶瓷致密率的影响(见图1(a)和(b)). Bc粉末比表面积超过16m./g时,烧结温度比2m./g时降低 180.C;在2170.C时随粉末粒径越来越小,致密率越来越大. 2.4反应烧结 为了提高碳化硼陶瓷致密化,必须消除材料中的气孔.可 以利用反应放出的热量使大部分气孔消失,只剩下少量气孔分 布在晶界处或晶粒内.而且,Bc易氧化成B203,其氧化物不 利于提高致密率,不太可能彻底消除B2()3只能尽量减少其含 量.L_SSiglE.]认为当添加碳化物时,生成的C能还原B2()3. 邓建新等_27]热压BC(W,Ti)C材料时发现(见表3),随着(w, Ti)C含量增加,复合材料致密率越来越高,是因为(w,Ti)C含 量增加,促使以下反应放出更多的热量: B4C+2nC一2TiB2+3C 5BC+8WC=4W2B5+13C 并且,生成c越多还原的B2【J3越多,致密率也就越高. 表3热压B4C(W.Ti)C材料的工艺条件与密度 一温度保温时间相对密度 试样? min%,儿llll/U &C21506595.0 B4C/10wt(w,Ti)C18505098.5 BlC/3O%(w,Ti)C1850—4099.2 B4C/5O叭%(w,Ti)C18503099.5 单纯依靠高温烧结获得高致密度碳化硼陶瓷的方法实用价 值不高;细化粒径对碳化硼陶瓷致密化作用有限,热压反应烧结 较为复杂,控制比较困难.比较可行的方法是,向精细粒子中加 入产生液相第二相粒子,在较低的温度下实现较高的致密度. 3结束语 综上所述,经过国内学者的努力,在碳化硼增韧补强和致密 化研究方面,国内研究成果已经基本与国际接轨.无论在理论 方面还是试验方面,国内的研究都毫不逊色.单纯依赖颗粒补 强或晶须增韧,碳化硼基复合材料的抗弯强度一般不超过 700MPa;颗粒,晶须协同增韧或许是获得性能更为优异材料的 有效途径.相对于热压烧结,热等静压烧结表现出极大的优越 性;采用HIP制备碳化硼陶瓷可能是今后研究发展方向之一. 参考文献 1王慧华,王德永,涂赣峰.热压真空烧结高密度碳化硼制品性 能的研究.材料与冶金,2003,2(4):277 2LevinL,FrageN,DarielMP.Anovelapproachforthe preparationoft~C'basedcermets.IntJRefracMetals& HardMater,2000,(18):131 3邓建新,张希华.134C/SiCw陶瓷喷嘴的制备及其冲蚀磨损机 理研究.硅酸盐通报,2004(3):18 4冯益华,邓建新.134c/(w,Ti)C陶瓷喷砂嘴冲蚀磨损机理研 究.摩擦学,2004,24(4):346 5Th6venotFBoroncarbide-Acomprehensivereview.JEur CeramSOc,1990,6,(4):205 6Alizadeh,Taheri—Nass~E,EhsaniN.SynthesisofboIon carbidepowderbyacarbothermicreductionmethod.JEur CeramSOc,2004,24:3227 7唐军,谭寿洪,陈忠明,等.134C/Ti~复相陶瓷的强韧化研 究.无机材料,1997,12(2):169 8DengJianxin,ZhouJun,FengYihua.Microstructureand mechanicalpropertiesofhot—pressed&c/(w,Ti)Cceramic composites.CeramInt,2002,28(4):425 9DoleSL,PiochazkaS,eta1.JAmCeramSOc,1989,72:958 1O唐军,谭寿洪,陈忠明,等.134C陶瓷的协同增韧.无机材料 ,1997,12(6):296 l1ZhenYuhua,LiAu,YinYansheng,eta1.Reactiveand densesinteringofreinforced—'toughened134Cmatrixcompos—— ites.MaterResBull,2004,(39):1615 12李青,华文君,崔岩,等.无压浸渗法制备B4C/Al复合材料 研究.材料工程,2003,(4):17 13KarlASchwetz,LorenzSSigl,LotharPfau.Mechanical propertiesofinjectionmolded134C-Cceramics.JSolidState Chem,1997,(133):68 14张国军,金宗哲.颗粒增韧陶瓷的增韧机理.硅酸盐, 1994,6(22),3:259 15唐国宏,陈昌麟,张兴华.134C.Ti132一WB5复合材料研究. 航空,1994,15(6):761 16丁硕,温广武,雷廷权,等.自生法制备纳米一微米颗粒增强 B4c基复合材料.材料工程,2002,(5):14 17李世波,张宝生,葛勇,等.掺加SiC晶须对134C.A1.O3复合 材料性能的影响.哈尔滨建筑大学,2000,33(4):66 18MiserezA,MUllerR,eta1.Particlereinforcedmetalsof highceramiccontent.MateriSciEngA,2004,387—389:822 19周荣兴,邓克勤,杨菊美.耐蚀耐磨碳化硼轴承材料的研制. 硬质合金,1995,12,2:102 2O蒋国新,王声宏.碳化硼的低温热压.粉末冶金技术,1995, 13(2):107 21GiuseppeMagnani,eta1.Pressurelesssinteringandproper— tiesofu-SiC-B4Ccomposite.JEurCeramSOc,2001,(21): 633 22BondGM,InalOT.Shock-compactedaluminum/boIon carbidecomposites.CompEng,1995,5(1):9 23TariolleS,ThevenotF,eta1.Boroncarbide-copperinfiltra— tedcermets.JSolidStateChem,2004,(177):400 24李文辉,李文新.铝,硅对碳化硼陶瓷性能的影响.哈尔滨理 工大学,2002,7(4):30 25李文辉,李文新.原料粉末对碳化硼烧结性能的影响.哈尔 滨理工大学,2002,7(5):87 26SiglLs.Processingandmechanicalpropertiesofboroncar— bidesinteredwithTiCJEurCeramSoc,1998,(18):1521 27邓建新,周军.134C(W,Ti)C陶瓷复合材料的制备及其性 能.硅酸盐通报,2002,(1):16