B4C—SiC復合材料的制備及性能研究

李少峰

摘 要：以碳化硼為基體，碳化硅為增強相，炭黑為燒結助劑，通過熱壓燒結工藝制備了B4C-SiC復合材料。測試了其力學性能，并借助SEM對燒結體進行斷口形貌觀察。結果表明：在本實驗條件下，當SiC添加量在9 wt%時材料力學性能最佳，體積密度為2.548 g/cm3，相對密度為99.6 %，抗彎強度為403 MPa，斷裂韌性為5.26 MPa·m1/2。顯微組織結構致密，晶粒細小、均勻。增韌機理主要為SiC顆粒彌散引起的釘扎效應和裂紋偏轉。

關健詞：碳化硼；碳化硅；復合材料；熱壓燒結

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）、比重小（2.52 g/cm3）、彈性模量高（450 GPa）、耐高溫、化學穩定性好、熱膨脹系數小、導熱率好以及良好的中子吸收能力等特點，因此在機械密封行業、輕質防彈裝甲、硬質磨削材料、耐磨軸承、高級耐火材料、航空航天、核反應堆的屏蔽材料等諸多領域得到了廣泛地應用[1，2]。但是由于碳化硼的共價鍵分數高達93.94 %，高于其他結構陶瓷，如SiC（88 %），Si3N4（70 %）等[3]，因此，純碳化硼很難燒結致密，需要添加燒結助劑來活化燒結。同時碳化硼是一種脆性材料，斷裂韌性KIC≤2.2 MPa·m1/2 [4]，需要加入其他物質對其進行補強增韌。

熱壓燒結是一種壓制成形和燒結同時進行的粉體材料成形工藝。將粉末裝在加壓模具內，在專門的熱壓設備中進行加壓的同時把粉末加熱到熔點以下，在高溫下雙向或單向施壓成形的過程[5，6]。在熱壓燒結過程中，高溫高壓的交互作用使粉體顆粒的粘性、塑性流動及原子的擴散能力得以加強，同時顆粒與顆粒之間的接觸點因具有較大的接觸電阻，在燒結時的大電流下產生電弧放電或局部大量發熱，且由于電磁場的作用進一步加快了原子的擴散，有利于燒結頸的形成和長大，具有催化和活化燒結的功效，并有利于坯件的燒結，降低燒結溫度、縮短燒結時間、使性能得以提高。熱壓燒結具有燒結時間短、燒結溫度低、產品性能高、晶粒細小等優點，但一般用于制備形狀簡單的制品[7]。

因此，本文以B4C為基體，SiC為增強相，C為燒結助劑，通過熱壓燒結制備了B4C-SiC復合材料。探討了SiC的加入量對復合材料性能的影響，并討論了其增韌機理。

2 實驗過程

2.1原料

采用牡丹江金剛鉆碳化硼有限公司生產的B4C，粒度2.5 μm，純度≥99.4%；市售工業用SiC，粒度1 μm，純度≥99%；半補強炭黑，灰分≤0.01 %。

2.2實驗步驟

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，以碳化硅球磨子為球磨介質，球料比5：1，球磨8 h后烘干過60目篩待用。按所需粉末重量稱量，倒入石墨模具中，放入真空熱壓爐內進行燒結。燒成制度為：溫度1950℃，壓力30 MPa，保溫時間30 min。燒結后試樣尺寸為50 × 40 × 6 mm。

由公式（1）和（2）計算復合材料的理論密度和燒結體的相對密度。

ρ理=（1）

式中：ρ理——試樣的理論密度（g/cm3）；

a%，b%——試樣中a，b為組元的質量百分數；

da，db——試樣中a，b為組元的理論密度（g/cm3）。

ρ相對=ρ測/ ρ理 （2）

式中：ρ相對——試樣的相對密度（g/cm3）；

ρ測——試樣的測試密度（g/cm3）；

ρ理——試樣的理論密度（g/cm3）。

2.3性能檢測

經過內圓切割、平磨、研磨拋光后，試樣尺寸為4 × 3 × 40 mm，采用三點法測試材料的抗彎強度，跨距20 mm；用單邊缺口梁法測試材料的斷裂韌性，缺口深0.5 mm，寬0.2 mm；根據阿基米德原理測試材料的體積密度；用JSM-6700F型場發射掃描電鏡（SEM）對試樣進行斷口形貌表征。用Vickers壓痕法觀察裂紋的擴展形態。

3 結果與討論

3.1試樣的力學性能及微觀結構

B4C-SiC復合材料燒結體性能指標見表3。

由上圖表可見，添加2 wt%的半補強炭黑的S1試樣的斷裂韌性達到3.82 MPa·m1/2，比純碳化硼的斷裂韌性有較大提升，說明炭黑作為燒結助劑可以有效地提高碳化硼的燒結活性。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，試樣的力學性能先增加后降低，可能是因為，隨著SiC的添加量的增加，SiC顆粒可以均勻的分散在B4C顆粒周圍，在晶界處起到釘扎效應，阻礙碳化硼晶界移動，使得晶粒細小均勻，隨著致密度的提高，材料的性能得以提升。當添加量達到9 wt%時，復合材料的力學性能達到最優，相對密度達到99.6 %，接近理論密度，抗彎強度達到403 MPa，斷裂韌性達到5.26 MPa·m1/2。當添加量繼續增加時，可能是由于SiC在B4C晶界處富集而產生了較大的團聚體，所以導致產品性能的下降。

在陶瓷材料中，氣孔等斷裂源的存在是致命的，它們會顯著降低陶瓷材料的力學性能。圖4為試樣S4的顯微結構圖片（SEM），由圖中可以看到，斷口形貌組織結構致密均勻，晶粒細小，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擁有較高的抗折強度和斷裂韌性，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生了轉變，因此力學性能提高。圖4充分地解釋了試樣S4力學性能較好的原因。

3.2增韌機理

本實驗主要采用SiC顆粒在B4C基體中彌散進行增韌。顆粒補強陶瓷基復合材料的增韌機理主要有裂紋偏轉增韌、微裂紋增韌及釘扎效應等[9]。材料在受到一定外力的作用時發生斷裂，裂紋在擴展過程中路徑發生偏轉、分叉會消耗更多的能量，路徑越蜿蜒曲折，分叉越多，消耗的能量就越多，裂紋路徑擴展的長度越短，預示著材料的斷裂韌性越高。圖5為試樣S4受壓力后產生的裂紋的傳播路徑，由圖中可以看出，裂紋在擴展過程中，路徑有明顯的偏轉，這種形貌意味著材料的斷裂韌性較好，同時圖5也從側面證明了圖4中穿晶斷裂和沿晶斷裂共存的現象。因此，在本實驗條件下，B4C-SiC復合材料的增韌機理主要為SiC顆粒彌散引起的釘扎效應和裂紋偏轉。

4 結論

在本實驗條件下，添加半補強炭黑可以有效增強B4C-SiC復合材料的燒結活性。以SiC作為增韌補強相可以顯著提高B4C材料的力學性能，當添加量為9 wt%時力學性能最好，其抗彎強度為403 MPa，斷裂韌性為5.26 MPa·m1/2，相對密度達到99.6 %，接近理論密度。B4C-SiC復合材料的增韌機理主要為SiC顆粒彌散引起的釘扎效應和裂紋偏轉。

參考文獻

[1] Thevenot F. A Review on Boron Carbide[J]. Key Engineering Materials， 1991， 56-57：59-88.

[2] 徐璟玉， 吳文遠， 邊雪，等. 原位生成CeB_6/B_4C陶瓷的力學性能和顯微組織[J]. 功能材料， 2009， 40（2）：278-280.

[3] 周玉. 陶瓷材料學[M]. 科學出版社， 2004.

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