基于放电等离子烧结的碳化硼陶瓷致密化研究

• 作 者: 周梓良
• 出 处: 重庆交通大学
• 发表日期: 2020年06期
• 关键词: 放电等离子烧结 碳化硼 氧化锆 工艺参数 致密化

碳化硼是一种众所周知的结构陶瓷,具有优异的物理和化学性能,包括:高熔点、高硬度、低密度、良好的耐磨损性能、优异的高温稳定性和化学稳定性以及良好的中子吸收能力,广泛应用于防弹材料、耐火材料、耐磨材料、自润滑材料、特耐酸碱侵蚀材料、切割研磨工具、原子反应堆控制和屏蔽材料等。但是,由于碳化硼原子间以牢固的共价键连接、塑性低、抗晶界滑移性高、表面张力低,碳化硼的自扩散系数很低,难以烧结致密,严重影响了碳化硼陶瓷的使用性能。针对这一现状开展了碳化硼陶瓷的致密化研究。论文以纳米碳化硼粉为原料,以5.77 wt%的氧化锆为烧结助剂,采用放电等离子烧结技术制备碳化硼陶瓷。研究了放电等离子烧结的烧结温度、施加压力、升温速率和保温时间等工艺参数对碳化硼致密度的影响。同时,对氧化锆在放电等离子烧结制备致密的碳化硼陶瓷过程中的作用进行了探索。研究得到的主要结论如下:(1)采用放电等离子烧结制备致密的碳化硼陶瓷的最佳烧结温度、施加压力、保温时间和升温速率分别为1800℃、80 MPa、12 min和100℃/min。烧结温度和施加压力是影响碳化硼陶瓷致密化的主要因素。当烧结温度低于1800℃时,提高烧结温度能够明显提高碳化硼陶瓷的致密度;一旦烧结温度达到1850℃及以上,碳化硼样品由于烧结助剂的存在会发生过烧结,导致碳化硼致密度的降低。施加压力能够明显地提高碳化硼样品的相对密度,但是,当碳化硼达到一定的致密度后,施加压力对碳化硼致密度的影响就没那么明显了。保温时间和升温速率也是影响碳化硼陶瓷致密化的因素。随着升温速率的增加,脉冲电流增大,依靠样品的焦耳效应产生的热量增加,有利于碳化硼陶瓷的致密化。延长保温时间有利于排出样品中的孔隙,从而在部分区域优先形成致密区,提高碳化硼陶瓷的致密度。(2)碳化硼陶瓷的致密化过程可以分为三个阶段。其中,以氧化锆作为烧结助剂的碳化硼陶瓷的致密化只要发生在第一阶段和第二阶段,而不含氧化锆的碳化硼陶瓷的致密化主要发生在第二阶段。这主要是由于碳化硼和氧化锆发生固态反应原位生成硼化锆,促进了碳化硼颗粒之间的结合,从而促进了碳化硼陶瓷的致密化。