Ti3SiC2对快速烧结碳化硼陶瓷性能的影响及机理研究

作     者：闫星亨 

作者单位：国防科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周新贵;王洪磊

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：钛碳化硅 碳化硼 断裂韧性 放电等离子烧结 直流快速烧结 

摘      要：碳化硼是一种优缺点明显的材料,它拥有高熔点、低密度、高硬度、高导热性和大的中子吸收面等优良性能,使其成为耐磨部件、刀具、轻型装甲产品和中子辐射屏蔽等的候选材料。但是烧结性能差(由于B–C共价键和存在BO氧化层)和断裂韧性差,限制了其优良性能的发挥。本文采用放电等离子烧结(SPS)和直流快速烧结(DCS)两种快速烧结技术制备碳化硼复相陶瓷,优化SPS和DCS制备碳化硼复相陶瓷的烧结工艺条件,研究TiSiC的添加对促进碳化硼烧结和提升复合材料韧性的影响机理。采用SPS法制备了高韧性的BC复相陶瓷。在TiSiC含量为30vol.%时,烧结温度为1900℃、烧结压力为35MPa,保温时间为5min的工艺条件下,烧结制备的BC复相陶瓷得具有很好的综合力学性能:硬度为27.28GPa,抗弯强度为405.11MPa,断裂韧性为18.94MPa·m。在BC复相陶瓷中,断裂模式为穿晶断裂和沿晶断裂的混合断裂。断裂韧性的显著提升归因于Ti B在BC基体中形成了Ti B的三维网络,极大提升了材料的韧性;同时在反应烧结中产生的石墨相具有层状拔出的断裂机制,也对材料的增韧发挥了作用。SPS烧结制备BC复相陶瓷中,TiSiC含量的改变直接影响复相陶瓷中第二相粒子的占比与分布情况。复相陶瓷的电阻率随TiSiC含量的增加而下降,断裂韧性与TiSiC含量呈正相关,弯曲强度随着TiSiC含量的增加先提升后下降,硬度与TiSiC含量呈负相关。烧结温度和保温时间的改变会影响复相陶瓷的致密度和晶粒尺寸。致密度与烧结温度和保温时间呈正相关,而高温和保温时间的延长会使复相陶瓷中发生晶粒长大,复相陶瓷的电阻率受烧结温度和保温时间影响不大,力学性能的变化取决于这两种机制谁占主导地位。DCS烧结制备BC复相陶瓷中,烧结温度和烧结压力的提升均有利于复相陶瓷相对密度的提升。在TiSiC含量不改变的情况下,复相陶瓷相对密度的升高对其导电性能,断裂韧性,弯曲强度和硬度都有积极的作用。原料粒径的改变会影响复相陶瓷中第二相粒子的尺寸与分布情况。用小粒径的TiSiC进行复相陶瓷的制备,可以使得复相陶瓷中的第二相粒子尺寸更小,分布更均匀,这对材料的力学性能的提升有很大帮助。在采用的TiSiC粒径为-200目(74μm)时,保温时间的改变对材料组织结构基本不产生影响;在采用的TiSiC粒径为10μm时,保温时间的延长会造成部分Ti B晶粒的异常长大,影响复相陶瓷的性能。SPS较DCS可实现在更高温度下烧结BC复相陶瓷,但是SPS设备昂贵,成本是DCS的数倍。而在相同烧结工艺下,两者制备出的BC复相陶瓷性能接近。