摘 要

碳化硼（B₄C）是一种理想的结构陶瓷，因为它有特殊的物理和力学性能，比如低密度（2.52g/cm³），高硬度（25-35GPa）以及高抗拉强度（2.6-5.7GPa），可以被应用于装甲防护、航空航天等方面。B₄C-TiB₂是一种新型的复合陶瓷材料，TiB₂的加入提升了单质碳化硼陶瓷的断裂韧性。本文采用了改进后的分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，简称SHPB）对B₄C- TiB₂复合陶瓷材料的动态压缩和动态拉伸性能进行了研究。

在动态压缩实验中，B₄C- TiB₂复合陶瓷材料的动态压缩强度大多分布在800MPa-1200MPa之间，破坏应变分布在0.01—0.02范围内，动态压缩强度远小于准静态压缩强度。随着应变率的增加，材料的屈服强度也随之增大。在动态拉伸实验中，应变率在700/s—2800/s的范围内，抗拉强度大多数分布在200MPa—350MPa之间，且离散型较大，整体随着应变率增大而增加。

关键词：B₄C- TiB₂复合陶瓷材料；动态压缩/拉伸力学性能；屈服强度；应力-应变曲线

Abstract

Boron carbide (B₄C) is an ideal structural ceramic because of its special physical and mechanical properties, such as low density (2.52g/cm³), high hardness (25-35GPa) and high tensile strength (2.6-5.7GPa). B₄C-TiB₂ is a new composite ceramic material. The addition of TiB₂ improves the fracture toughness of boron carbide ceramics. In this paper, the improved Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) was used to study the dynamic compression and tensile properties of B₄C-TiB₂ composite ceramics.

In the dynamic compression experiment, the dynamic compression strength of B₄C-TiB₂ composite ceramics is mostly distributed between 800MPa-1200MPa, and the failure strain is distributed within the range of 0.01-0.02. The dynamic compression strength is far less than the quasi-static compression strength. The yield strength increases with the increase of strain rate. In the dynamic tensile test, the strain rate is within the range of 700/s-2800/s, and the tensile strength is mostly distributed between 200MPa-350MPa, with a large discrete type. The overall tensile strength increases with the increase of the strain rate.

Keywords: B₄C-TiB₂ composite ceramic material; Dynamic compression/tensile mechanical properties; Yield strength; Stress-strain curve

目录

摘 要 II

Abstract III

第1章 绪论 1

1.1选题目的、背景和意义 1

1.2 B₄C-TiB₂复合陶瓷材料的研究现状 2

1.3 B₄C-TiB₂复合陶瓷材料的制备技术 4

1.3.1 B₄C-TiB₂复合粉体的制备方法 4

1.3.2 B₄C-TiB₂复合陶瓷材料的制备方法 5

1.4 本文的研究目标和主要内容 6

第2章 碳化硼陶瓷的动态压缩/拉伸力学性能研究 8

2.1 引言 8

2.2 实验原料 8

2.3 样品制备 9

2.3.1 实验设备 9

2.3.2 B₄C-TiB₂复相陶瓷的制备 10

2.4 动态压缩力学性能研究 12

2.4.1 实验原理 12

2.4.2 实验设计 12

2.4.3 强度计算 15

2.4.4 压缩实验数据分析 16

2.5 动态拉伸力学性能研究 19

2.5.1 实验设计 19

2.5.2 强度计算 20

2.5.3 拉伸实验数据分析 20

2.6 动态压缩/拉伸力学实验结果分析 22

2.6.1 动态压缩实验结果分析 22

2.6.2 动态拉伸实验结果分析 23

2.6.3 动态压缩和拉伸实验结果对比 23

2.7 本章小结 23

第3章 结论 24

参考文献 25

致 谢 28

第1章 绪论

1.1选题目的、背景和意义

目前世界上有许多防弹装甲是用陶瓷材料制造的，它们的原理是可以有效吸收子弹或其他武器的动能，来达到防御的目的 ^[1]。如图1-1，装甲的组成和形式日趋复杂，其中，陶瓷材料由于其优越的力学性能和化学性能（如强度高，硬度大，耐磨损，耐腐蚀等等），已经被越来越多地应用于装甲设计与制造中。

图1-1 不同形式的穿甲弹和装甲坦克^[1]

B₄C陶瓷密度较低、硬度和强度较高、耐磨损性和耐腐蚀性好，这些优势决定了B₄C陶瓷是一种非常适合用于装甲设计与制造的材料。事实上，上世纪60年代就有开始应用碳化硼陶瓷作为陶瓷装甲材料的例子^[2]。尽管单质B₄C陶瓷已经具有了上述优良特性，但是在实际应用中，我们为了更好地满足防弹装甲应用的实际需求，往往会设计出一定的B₄C复合陶瓷材料。其中，以B₄C为基体的B₄C-TiB₂复合陶瓷作为一种新型的复合陶瓷材料，不仅拥有单质B₄C陶瓷材料所具有的强度高，硬度大，耐磨损，耐腐蚀等优点，而且具有单质TiB₂陶瓷的导电性能好和断裂韧性大的优点^[1]，除此之外，这种复合陶瓷材料还具有比两种单质陶瓷材料更好的微观结构及理论烧结致密度。

陶瓷材料在静态和动态条件下的压缩和拉伸性能间存在较大差距，目前对陶瓷材料静态下的力学性能的研究已经比较完善，但是对陶瓷材料在动态冲击下的力学性能表现还需要更为深入的研究。而对于应用于装甲防护的复合陶瓷材料，其动态冲击下表现出的力学性能将是其非常重要的参数。随着陶瓷材料在复合装甲中的应用日益广泛，其抗动载的结构设计与分析是非常重要的。故本文将着重关注B₄C-TiB₂复合陶瓷材料在动态条件下的力学性能表现。

1.2 B₄C-TiB₂复合陶瓷材料的研究现状

碳化物和硼化物因其高熔点广泛应用于陶瓷材料中。表1-1列出了常见碳化物和硼化物的熔点^[3]。

表1-1 常见碳化物和硼化物的熔点^[3]

碳化硼（B₄C）的原子构型如图1-2所示，碳原子是红色的，硼原子是蓝色的。为了清晰起见，图1-2中一些二十面体已被移除^[4]。

图1-2 碳化硼的原子构型

B₄C具有优异的工程材料性能，例如极高的硬度，高弹性模量，高熔点，良好的化学稳定性。除此之外，B₄C陶瓷还具有优良的耐腐蚀性和耐磨性。它们被用于核能和高温热电转换以及腐蚀磨损应用。然而，低的强度和断裂韧性以及差的烧结性和可加工性限制了它们的应用范围^[5]。

碳化硼是目前已知的世界上硬度排名第三的物质，仅次于金刚石（C）和立方氮化硼（CBN），除了硬度非常高以外，它还有其他的优点，例如高熔点（2450℃）、低密度（2.52g/cm³）、耐磨损和耐腐蚀性非常强等等^[6]（见表1-2）。硼元素（B）与碳元素（C）都为非金属元素，而且它们的原子半径十分接近，故碳化硼的结合方式比较特别，其结构中的共价键分数高达93.94%，所以碳化硼陶瓷的晶界移动阻力大，在固态时的表面张力较小^[7]，从而使碳化硼陶瓷内气孔的消除、晶界和体积扩散的传质机制需在2000 ℃以上^[2]，这些特质都决定了单相的碳化硼是一种十分难以烧结的材料。通过对B₄C的进一步研究，人们发现在B₄C中加入添加剂后可显著提高无压烧结陶瓷的致密度，加入TiO₂和C，在1900 ^oC到2050 ^oC下反应无压烧结可获得相对密度超过99%的B₄C-TiB₂复合陶瓷^[8]。

表1-2 部分碳化物陶瓷的物理和化学性能^[9]

B₄C-TiB₂复合陶瓷材料是一种新型的陶瓷材料，但它的制备方法与传统陶瓷材料类似，主要有热压烧结、无压烧结两种传统制备方法以及脉冲电流辅助烧结这种新型制备方法^[7]。其中，无压烧结的使用最广泛，这是因为无压烧结的操作便捷简单，相对来讲成本也比较低，而且这种方法能够制作出的陶瓷成品的形状和尺寸没有太多限制，应用范围比较广^[10]。热压烧结的方法就是在无压烧结的基础上加压，使烧结的过程在高压条件下完成。热压烧结不需要像普通的无压烧结一样需要添加剂，因此热压烧结可以生产出纯度较高的陶瓷成品^[1]、[11]。脉冲电流辅助烧结(PECS或SPS)是一种比较新颖的陶瓷烧结方法，在粉料为导体的情况下，使直流电流通过者装载粉料的容器，可以直接从粉料内部迅速产生大量的热，从而获得非常快的升温速率。

B₄C-TiB₂复合陶瓷的烧结工艺已经渐趋成熟，但是要将这种材料投入装甲防护、航空航天等方面的应用，其力学性能的研究也必不可少。所以，本文将重点关注B₄C-TiB₂复合陶瓷材料的动态力学性能研究。

1.3 B₄C-TiB₂复合陶瓷材料的制备技术

1.3.1 B₄C-TiB₂复合粉体的制备方法

烧结陶瓷的第一步就是混料，也就是将原料粉体混合均匀。而制备B₄C和TiB₂复合粉体主要有以下两种方式：一种是使B₄C和TiB₂两相同时生成。应用这种原理的生成方法主要有碳热还原法（原料主要有硼酸、二氧化钛和碳粉）和硼热还原法（原料为TiC_xN_1-x和硼粉作）。第二种方法是，通过反应生成TiB₂然后直接加入 B₄C粉体 ^[7]，见表1-3，

表1-3 B₄C-TiB₂复合粉体的制备方法^[7]

1.3.2 B₄C-TiB₂复合陶瓷材料的制备方法

Ⅰ. 无压烧结

在常压下烧结陶瓷材料的方法叫做无压烧结。在所有陶瓷的烧结方法中，无压烧结的使用最广泛，这是因为无压烧结的操作便捷简单，相对来讲成本也比较低，而且这种方法能够制作出的陶瓷成品的形状和尺寸没有太多限制，应用范围比较广。但是，如上文所述，B₄C结构中共价键比例较高，故其熔点也非常高（2450℃），在不加入添加剂的情况下，纯的B₄C粉料在烧结过程中需要的温度会非常高，而且得到的陶瓷制品的致密度也会较低^[7]，加入TiB₂粉料不仅可以降低烧结温度，还能提高所得陶瓷材料的致密度(如表1-4所示) ^{[7]、[10]、[12]}，原料一般通过机械球磨来混合均匀。

表1-4 TiB₂含量对致密度和晶粒尺寸的影响

Ⅱ.热压烧结

热压烧结的方法就是在无压烧结的基础上加压，使烧结的过程在高压条件下完成。热压烧结不需要像普通的无压烧结一样需要添加剂，因此热压烧结可以生产出纯度较高的陶瓷成品。但是热压烧结的设备十分复杂， 并且在烧结过程中能源的消耗非常大，因此生产成本也比较高。

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