轻质碳化硼复合材料的制备工艺及性能研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 轻质碳化硼复合材料的制备工艺及 性能研究 摘 要：本研究以 B4C、SiC、TiC、C 等为原料，经过喷 雾干燥工艺造粒，采用无压烧结制备了 轻质碳化硼复合材料。探讨了浆料中不 同料水比对碳化硼造粒料的影响，测试 了碳化硼烧结体的相关性能，并借助 SEM 对烧结体进行断口形貌观察。实 验结果表明：当料水比为 1 ： 1.5 时， 料浆经过喷雾干燥工艺制粒，可制得颗 粒表面形貌近似为圆形的碳化硼混合造 粒料，所压素坯经过无压烧结，制得了 结构致密，组织均匀，力学性能优良的 轻质碳化硼复合材料。其体积密度为 2.53 g/cm3、相对密度为 97.76 %、维氏 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 硬度为 25.5 GPa、抗弯强度为 437 MPa、断裂韧性为 5.24 MPa m-1/2。 中国论文网 /7/view-12781292.htm 关键词：轻质碳化硼；复合材料； 喷雾造粒；无压烧结 1 引言 碳化硼是一种新型工业特种陶瓷 材料，由于具有高硬度（仅次于金刚石 和立方氮化硼） 、比重小（2.52 g/cm3） 、 弹性模量高、耐高温、化学稳定性好以 及良好的中子吸收能力等特点，因此在 密封行业、轻质防弹装甲、硬质磨削材 料、耐磨轴承、高级耐火材料、航空航 天、核反应堆的屏蔽材料等诸多领域得 到了广泛的应用1，2 。 喷雾干燥是一种将液态物料（包 括泥浆）雾化后在热的干燥介质中于很 短时间内转变成干粉料的工艺3。采用 喷雾干燥技术可制备出质量均一、重复 性良好的球形粉料。缩短粉料的制备过 程，也有利于自动化、连续化生产，是 目前大规模制备优良陶瓷干粉的最有效 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 方法。 由于碳化硼具有很高比例的 B-C 共价键，自扩散系数小，烧结阻力大， 在没有添加烧结助剂的情况下，很难得 到较高致密度的碳化硼烧结体4。因此， 碳化硼想要获得较高致密度的烧结体， 需要添加一定的烧结助剂，最常添加的 是 C，好处是不引入其他杂质5。纯碳 化硼陶瓷除了难以烧结致密外，还有一 个致命缺陷断裂韧性低，因而要对 其进行增韧处理。碳化硼的增韧物有很 多种，如：晶须、纳米管、金属单质、 金属氧化物、过渡金属碳化物和硼化物 以及它们的组合添加物等6。现阶段， 碳化硼陶瓷材料研究较多的是热压烧结， 其特点是烧结温度低，产品性能优良。 但最大的缺点是成本高、不利于大规模 生产7。 本研究以 C 作为烧结助剂， TiC、SiC 作为增韧补强相，采用喷雾 干燥工艺造粒，在无压烧结工艺下制备 性能较高的轻质碳化硼复合材料。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 2 实验内容 2.1 实验原料 本实验所用的原料为牡丹江金刚 钻生产的 B4C，粒度 3.5 m，纯度 99.4%；工业用 SiC，粒度 1 m，纯度 99%；工业用 TiC，粒度 5 m，纯度 99.3%；半补强炭黑，灰分0.01 %。碳 化硼复合材料组分配比如表 1 所示。 2.2 实验步骤 将上述原料按照表 1 中的配比进 行称量，以液体水溶性酚醛树脂为粘结 剂，加入适量分散剂 R，以去离子水为 球磨介质，放入装有碳化硼球磨子的球 磨桶中进行球磨，球料比为 4：1，球磨 时间为 24 h；然后将球磨好的浆料加入 醇类消泡剂，过 80 目筛；其次在离心 喷雾干燥塔中进行喷雾造粒，将造粒料 混合均匀；最后经强磁除铁过 40 目筛 后测试粉料性能。喷雾干燥工艺参数见 表 2。 用电子秤按所需重量称取碳化硼 混合造粒料，倒入钢制模具里，在 10 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 T 四柱压机上双面压制成型，成型压力 为 1.5 T/cm2，所得素坯放入烧结炉中， 在烧结温度为 2170 、保温为 2 h 的工 艺条件下进行无压烧结，当温度达 1600 左右时进行充氩气保护，直至烧结结 束。 2.3 试样性能检测 试样经过平磨、研磨抛光后，尺 寸为 4 mm3 mm40 mm，用三点法测 试材料的抗弯强度，跨距为 20 mm；用 单边缺口梁法测试材料的断裂韧性，缺 口深 0.5 mm、宽 0.2 mm；根据阿基米 德原理测试材料的体积密度；用 401MVA 型显微维氏硬度计测试材料的 硬度；用 JSM-6700F 型场发射扫描电镜 （SEM）对试样进行断口形貌表征。 3 实验结果分析与讨论 3.1 不同料水比对碳化硼造粒料 性能的影响 在喷雾干燥工艺过程中，料浆的 制备是一个至关重要的工艺环节，料浆 中的固含量，颗粒粒度以及流动性都将 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 直接影响造粒粉的产量和颗粒的大小8。 由于碳化硼是瘠性料，所以需要添加粘 结剂来改善其成型性能。粘结剂的种类 很多，如：树脂、糊精、纤维素、聚乙 烯醇（PVA）等等。本实验采用水溶性 液体酚醛树脂做粘结剂，添加量为料粉 总重量的 10 wt%，研究了不同料水比 对 B4C 造粒料性能的影响，性能详情 见表 3。不同料水比的颗粒形貌图如图 1 所示。 由表 3 可以看出，含水率较低时， 坯体有开裂现象，这可能是因为含水率 低，粉料颗粒周围粘结剂膜很薄或不完 全，而且粉料本身是瘠性粉料，在加压 成型时颗粒流动性不好，移动摩擦阻力 较大，容易导致坯体密度不均，孔隙度 较大。同时在脱模后，坯体会发生膨胀， 当粘结力不够束缚膨胀应力时，坯体就 会发生开裂等缺陷。当含水率逐渐增加， 粘结剂在颗粒表面形成厚度合适的膜， 在压力作用下，由于膜的润滑作用，粉 料流动性得到改善，颗粒之间的摩擦力 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 大大减小9，彼此之间的孔隙得到了最 大程度地填充，颗粒之间的粘结性能得 到加强。所以，此时粉料容易压制，素 坯密度也较高。当粉料含水率进一步升 高时，颗粒之间游离粘结剂变多，在同 样压力下粉料流动性变大，由于水的不 可压缩性，排气性差，留在孔隙间，所 以密度较高。但坯体强度较低，容易变 形，甚至有的样品在模具间隙有水汽溢 出，试样粘在模具上较难取下来。 由图 1 可以看出，当料水比为 1：1 时（图 1a） ，颗粒有空心现象，形 状不规则，表面粗糙。造成这种现象可 能是由于料浆含水量较低，粘结剂含量 相对就高，在浆料喷出的瞬间，表面水 分受热蒸发，中间的水分在加速向表面 迁移的同时会带走部分料，从而造成中 间空心现象，液滴还未落到底就已干燥 完全。过长时间的高温环境造成粘结剂 粘结性能下降，此种粉料很难压密实且 压坯易开裂。当料水比为 1：2 时（图 1c） ，由于含水量较高，料浆液滴在下 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 落的过程中不能完全干燥，所以易造成 粉料的团聚，粉料在压制时容易造成颗 粒间的“搭桥效应 ”，形成较多的孔隙， 多余的水分进入其中。烧结时由于水分 的蒸发，会在坯体上形成孔洞，甚至使