论文总字数：39355字

摘 要

B₄C陶瓷具有轻质高硬、耐磨损等优点，但是其共价键含量很高、自扩散系数低，所以极难烧结且断裂韧性差，限制了其工程应用。本文立足于纯B₄C陶瓷的上述缺陷，通过原位反应，以Si₃N₄为添加原料制备B₄C-SiC-BN三元体系陶瓷，有效改善了陶瓷的烧结性，获得分布均匀、与基体结合强度高的添加相。其中h-BN的类石墨结构对B₄C陶瓷起增韧和改善加工性的作用，SiC添加相保证了三元体系的硬度。

本文主要研究了复合粉体的反应温度、生成相顺序、反应过程的热力学计算以及原位反应过程及其对烧结行为的影响，分析复合材料微观结构和性能之间的关系。本文在SPS放电等离子烧结过程中，通过研究不同含量Si₃N₄、不同温度下复合陶瓷的烧结行为，得到合理的工艺参数。本文分析了B₄C-SiC-BN 复合陶瓷的显微结构，探究B₄C-SiC-BN复合陶瓷的强化、增韧机制。

研究结果表明在1900℃、50MPa的SPS烧结条件下，B₄C-10wt.%Si₃N₄的组分的性能达到最佳，其相对密度，断裂韧性，抗弯强度，维氏硬度可达到98.65%，5.67 MPa·m^1/2，531.86MPa，27.05GPa。

关键词：原位反应；碳化硼；放电等离子烧结；氮化硅

Abstract

B₄C ceramics have the advantages of high hardness, low density and wear resistance. But its covalent bond content is very high and their self diffusion coefficient is low. It suffers extreme difficulty in sintering and poor fracture toughness, which limits its productive application. In this thesis, in order to solve the above defects of pure B₄C ceramics, B₄C-SiC-BN ternary system ceramics are prepared by in-situ reaction with Si₃N₄ as the additive raw material, which effectively improves the sintering property of ceramics and obtains the phase with uniform distribution and high bonding strength with the matrix. Among them, the graphite like structure of h-BN plays a significant role in improving flexural strength and processability of B₄C ceramics, and the addition phase of SiC ensures the hardness of ternary system.

In this thesis, the reaction temperature, the phase sequence, the thermodynamic calculation of the reaction process, the in-situ reaction process and its influence on the sintering behavior of the composite are discussed, and the relationship between the microstructure and the properties of the composite are analyzed. In this paper, the sintering behavior of composite ceramics with different content of Si₃N₄ and different temperature is studied in the process of SPS(spark plasma sintering), and reasonable process settings are obtained. In this thesis, the microstructure of B₄C-SiC-BN composite ceramics was analyzed, and the strengthening and toughening mechanism of B₄C-SiC-BN composite ceramics was explored.

The results show that the properties of B₄C-10wt.% Si₃N₄ are the best under the SPS sintering conditions of 1900 ℃ and 50MPa. Its relative density, fracture toughness, bending strength, vickers hardness can reach 98.65%, 5.67MPa·m^1/2, 531.86MPa, 27.05GPa.

Key Words：：In-situ Reaction；Boron Carbide；Spark Plasma Sintering；Silicon Nitride

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 B₄C的结构、性能及应用 1

1.2.1 B₄C的晶体结构 1

1.2.2 碳化硼的性质 3

1.2.3 碳化硼陶瓷的应用 5

1.3 碳化硼陶瓷的致密化 6

1.3.1 单质碳化硼陶瓷的致密化 6

1.3.2 含有添加剂的B₄C基陶瓷的致密化 8

1.4碳化硼基陶瓷原位反应与烧结研究进展 9

1.4.1 原位引入TiB₂ 9

1.4.2 原位引入BN 10

1.4.3 原位引入SiC 11

1.5 本课题研究目的、意义、主要内容 12

1.5.1 课题目标及意义 12

1.5.2 主要研究内容 12

第二章 实验方法 13

2.1 实验原材料 13

2.2 实验方案 14

2.2.1 材料成分设计 14

2.2.2 工艺流程 14

2.2.3 材料制备 14

2.3 实验设备 15

2.4 结构表征和性能测试 16

2.4.1 物相分析 16

2.4.2 密度测定 16

2.4.3 抗弯强度 17

2.4.4 断裂韧性 17

2.4.5 维氏硬度 18

2.4.6 显微组织结构分析 19

第三章 B₄C-Si₃N₄陶瓷的原位反应与烧结研究 20

3.1 B₄C-Si₃N₄粉体的反应温度 20

3.2 B₄C-Si₃N₄粉体反应的热力学计算 21

3.3 B₄C-SiC-BN复合陶瓷的SPS烧结行为 23

3.3.1 不同Si₃N₄含量对复合陶瓷的致密化行为的作用 23

3.3.2 不同烧结温度对复合陶瓷的致密化行为的影响 28

3.4 B₄C-SiC-BN复合陶瓷性能及微观结构的研究 30

3.4.1 不同Si₃N₄含量对复合陶瓷晶粒尺寸的影响 30

3.4.2 不同Si₃N₄含量对复合陶瓷力学性能的影响 31

3.4.3 增韧机理探讨 34

第四章 结论 38

参考文献 40

附 录 44

附录A 44

附录B 44

致 谢 45

第一章 绪论

1.1 引言

先进陶瓷是材料学科的重要研究方向，在现代工业生产中具有广阔的应用前景^[1]。在结构材料方面，具有强化学键的陶瓷材料，在强度、硬度、化学稳定性等方面表现出优良性能。在功能材料方面，陶瓷在一定条件下可以表现出电学、光学、磁学的性能，从而表现出绝缘体、半导体、导体、超导体的特性。非氧化物陶瓷作为先进陶瓷的一个分支，近二十年来在能源、化工、机械等应用上取得很大进展，在国防建设、航空航天、生物医药等现代高新科技领域展现出诱人的应用前景^[2-8]。

B₄C是一种发展潜力巨大的非氧化物陶瓷材料。由于B₄C的高硬度(gt;30GPa)、低密度(2.52g/cm³)等特点，它具有较高的抗冲击性能，在国防军工领域可以被应用在航空航天飞行器装甲和高精尖武器的防护结构；其具有高熔点(2450℃)和热稳定性，可被用作耐火材料；它具有耐磨性，可作为研磨粉体和涂料；在核工业领域，它常作为中子辐射吸收剂^[9-11]。

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