反应结合碳化硼陶瓷复合材料的强韧化研究

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采用反应烧结法制备碳化硼陶瓷复合材料具有诸多优点,如烧结温度低、烧结时间短、烧结前后制品无收缩等,这些优点吸引了研究人员的关注。但该方法制备的碳化硼陶瓷复合材料中主相碳化硼损耗严重,陶瓷中含有大量残余硅,陶瓷的性能与传统的热压烧结、放电等离子烧结等方法制备的陶瓷相比仍有差距,限制了该方法的应用与推广。为了降低反应烧结碳化硼陶瓷材料中残余硅的含量、减少碳化硼的反应消耗、提高其力学性能,本文研究了颗粒级配对RBBC复合材料坯体密度、相组成、显微组织、体积密度以及力学性能的影响。在颗粒级配的基础上探究了高固相体积分数B4C-水浆料的凝胶注模成型工艺及凝胶注模RBBC复合材料的组织及性能。本论文研究结果对低成本反应结合碳化硼陶瓷复合材料的进一步应用与推广具有重要的理论意义和应用价值。论文取得的主要研究结果如下:(1)随着原料中大颗粒B4C含量的增加,坯体相对密度逐渐上升;复合材料的硬度逐渐上升,抗弯强度、断裂韧性与体积密度逐渐下降。当平均粒径分别为45 μm、20 μm、10 μm、3.5 μm的B4C原料粉体按质量比,配比为2.9:1.4:4.3:1.4时,RBBC复合材料的综合性能最佳,其硬度、抗弯强度、断裂韧性和密度分别为 27.9±4.8 GPa、320±27 MPa、3.9±0.16 MPa·m1/2、2.51 g/cm3。(2)当 TMAH分散剂用量为0.15 wt%、pH值为11~12时,可以制得固相体积分数高达65 vol%的B4C-水浆料,其粘度仅为2.9 Pa·s。(3)凝胶注模法制备RBBC复合材料的组织比干压成型制备材料的组织更均匀,但其综合性能有所降低,其硬度、抗弯强度、断裂韧性和密度分别为 26.5±4.3 GPa、345±25 MPa、3.8±0.16 MPa·m1/2 和 2.50 g/cm3。
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