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热压烧结B4C、ZrB2/B4C陶瓷材料的组织与性能研究

作　者: 陈碧霜
导　师: 茹红强；岳新艳；喻亮
学　校: 东北大学
专　业: 材料学
关键词: B4C陶瓷材料 ZrB2/B4C陶瓷材料 原位合成 热压烧结 抗氧化性
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


碳化硼陶瓷因具有超高的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等特点,已被广泛应用于机械、化学、冶金、军工等领域。但是与SiC、Si3N4和TiC等材料相比,其抗弯强度和断裂韧性较低,并且由于碳化硼在空气中高温下会发生氧化,因而大大限制了它的应用范围。本实验先研究了热压烧结温度、B4C粉末的粒径对纯B4C陶瓷材料力学性能及显微组织的影响,再在目前国内外研究加入第二相颗粒增韧B4C基复合材料的基础上,以B4C、C、ZrO2为主要原料,采用反应热压法制备了ZrB2/B4C陶瓷材料。研究了原位合成机理以及原料配比对ZrB2/B4C陶瓷材料的组织和力学性能的影响。通过X-光衍射仪、扫描电镜等分析手段,分析了ZrB2/B4C陶瓷材料的物相组成、晶粒大小和增韧机制。另外,本文还研究了纯B4C陶瓷材料和ZrB2/B4C陶瓷材料的抗氧化性能,并对其氧化热力学和动力学进行了分析。对纯B4C陶瓷材料力学性能的研究结果表明：纯B4C陶瓷材料的相对密度、抗弯强度及断裂韧性都随着烧结温度的升高先增大后减小,维氏硬度则随着烧结温度的增大而增大。采用粒径为1.5μm的B4C粉末,在1950℃热压后,材料的综合性能较好。通过对ZrB2/B4C陶瓷材料力学性能研究得出：第二相ZrB2含量为20wt%时材料性能较好,相对密度为99.3%,维氏硬度为36.12GPa,抗弯强度为533.33MPa,断裂韧性为6.95MPa·/2,相对于纯B4C陶瓷材料分别提高了0.61%、17.23%、15.23%和35.48%。通过对ZrB2/B4C陶瓷材料显微组织、断口形貌、及力学性能的综合分析,结果表明：ZrB2/B4C陶瓷材料的增韧机制主要为B4C和ZrB2颗粒间热膨胀系数不匹配产生的残余应力导致的裂纹偏转和分叉、第二相的细晶增韧,材料的断裂模式为穿晶断裂与沿晶断裂混合的断裂模式。通过对纯B4C陶瓷材料和ZrB2/B4C陶瓷材料的抗氧化性能的研究,结果表明：ZrB2/B4C陶瓷材料发生选择性氧化,B4C优先氧化,且氧化程度较大,而第二相ZrB2在850℃时,氧化程度才有所增强,且氧化膜较为致密。经过氧化激活能计算,纯B4C陶瓷材料的氧化激活能为98.11kJ/mol, ZrB2/B4C陶瓷材料的氧化激活能为147kJ/mol,对比发现,ZrB2/B4C陶瓷材料的抗氧化性能明显高于纯B4C陶瓷材料的抗氧化性能。在两种材料的氧化中,氧化机理都是在氧化初期由表面的化学反应过程控制,氧化速度较快,随着氧化时间的延长,氧化速度减缓,氧化过程主要由氧气通过氧化膜的扩散反应过程控制。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章 绪论  12-26
  1.1 引言  12-13
  1.2 碳化硼概述  13-15
    1.2.1 碳化硼的性质与性能  13
    1.2.2 碳化硼的应用  13-15
  1.3 碳化硼陶瓷的烧结  15-20
    1.3.1 烧结机理  15-17
    1.3.2 无压烧结  17-18
    1.3.3 热压烧结  18-19
    1.3.4 热等静压烧结  19
    1.3.5 反应热压烧结  19-20
  1.4 碳化硼陶瓷的强韧化  20-23
    1.4.1 颗粒增韧补强  20-22
    1.4.2 晶须增韧补强  22-23
  1.5 碳化硼陶瓷材料的氧化性能研究  23-24
  1.6 选题的目的和意义  24
  1.7 本课题研究的主要内容  24-26
第2章 实验过程  26-36
  2.1 实验目的  26
  2.2 实验原料  26
  2.3 实验设备  26-27
  2.4 材料的制备  27-29
    2.4.1 复合粉体的制备  27
    2.4.2 粉体的成型  27-28
    2.4.3 烧结  28-29
  2.5 材料性能的测试  29-34
    2.5.1 ZrB_2/B_4C陶瓷材料的X射线物相分析  29
    2.5.2 材料抗弯强度测试  29-30
    2.5.3 材料断裂韧性的测试  30-31
    2.5.4 材料维氏硬度测试  31-33
    2.5.5 材料相对密度及气孔率的测定  33
    2.5.6 材料显微组织观测  33-34
  2.6 氧化性能实验  34-36
    2.6.1 恒温氧化实验  34
    2.6.2 组织结构分析  34-36
第3章 热压烧结纯B_4C陶瓷材料的力学性能和显微组织研究  36-44
  3.1 烧结温度对纯B_4C陶瓷材料致密度的影响  36-37
  3.2 烧结温度对纯B_4C陶瓷材料显微组织的影响  37-38
  3.3 烧结温度对纯B_4C陶瓷材料硬度的影响  38-39
  3.4 烧结温度对纯B_4C陶瓷材料抗弯强度的影响  39
  3.5 烧结温度对纯B_4C陶瓷材料断裂韧性的影响  39-41
  3.6 B_4C粒径对纯B_4C陶瓷材料性能的影响  41-43
  3.7 本章小结  43-44
第4章 热压烧结ZrB_2/B_4C陶瓷材料的力学性能和显微组织研究  44-60
  4.1 反应体系的热力学分析及烧结工艺  44-45
  4.2 ZrB_2/B_4C陶瓷材料的物相分析  45
  4.3 ZrB_2含量对ZrB_2/B_4C陶瓷材料相对密度的影响  45-46
  4.4 ZrB_2/B_4C陶瓷材料的显微组织分析  46-49
    4.4.1 ZrB_2/B_4C陶瓷材料的金相分析  46-48
    4.4.2 ZrB_2/B_4C陶瓷材料断口形貌分析  48-49
  4.5 ZrB_2/B_4C陶瓷材料的力学性能  49-53
    4.5.1 ZrB_2含量对ZrB_2/B_4C陶瓷材料硬度的影响  49-51
    4.5.2 ZrB_2含量对ZrB_2/B_4C陶瓷材料抗弯强度的影响  51-52
    4.5.3 ZrB_2含量对ZrB_2/B_4C陶瓷材料断裂韧性的影响  52-53
  4.6 ZrB_2/B_4C陶瓷材料的增韧机制  53-58
    4.6.1 残余应力增韧  54-57
    4.6.2 沿晶断裂  57
    4.6.3 细晶增韧  57-58
  4.7 本章小结  58-60
第5章 纯B_4C陶瓷材料及ZrB_2/B_4C陶瓷材料的抗氧化性能研究  60-72
  5.1 氧化热力学分析  60-61
  5.2 恒温氧化实验  61-68
    5.2.1 恒温氧化增重规律  61-64
    5.2.2 氧化后的XRD物相分析  64-65
    5.2.3 氧化后的SEM观察和分析  65-68
  5.3 氧化机理分析  68-70
  5.4 本章小结  70-72
第6章 结论  72-74
参考文献  74-78
致谢  78

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 基础理论
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