D01:10.13374j.isml00103x2006.08.012 第28卷第8期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 8 2006年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2006 基于机械混合法无压烧结制备ZrB2/B4C 陶瓷复合材料 刘荣12) 茹红强3)赵媛)唐 获) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)南京师范大学动力工程学院，南京210042 3)东北大学材料与治金学院，沈阳110004 摘要研究无压烧结条件下原位合成工艺对ZrB2/BaC陶瓷复合材料的烧结致密化、力学性能、 显微组织的影响.结果表明：材料的密度随着烧结温度的增加和保温时间的延长先增加后降低，在 烧结温度2060℃，保温30min时，ZB/BaC复合材料的相对密度可达932%：材料的硬度随着温 度的升高而增大，在2070℃时达到最大值：材料的断裂韧性则随着温度的升高呈现下降趋势，从 2000℃时的4.04MPa°m/2下降到2060℃时的236MPa°mv2. 关键词陶瓷复合材料：BC陶瓷：机械混合法：无压烧结 分类号TB332 由于碳化硼中B与C的原子半径很小、且形 原料，通过无压烧结原位合成ZrB2/B4C陶瓷复合 成强共价键，因而碳化硼具有体积密度小、熔点高 材料，详细探讨了无压烧结工艺对B4C基复相陶 (2450℃、硬度高、物理化学性能优良以及吸收 瓷组织结构和性能的影响，其结果对于指导碳化 中子等特性，可广泛用作研磨剂、耐磨部件、军工 硼陶瓷的生产以及扩大其应用范围将具有重要的 防护材料、核反应堆的控制棒！、核反应屏蔽材 意义 料、高温热电偶3和高温结构材料等.但碳化 1 实验原料与方法 硼陶瓷很难烧结以及断裂韧性较低，限制着其推 广和应用. 采用碳化硼粉末（牡丹江磨料二厂生产，平均 目前碳化硼陶瓷多采用热压烧结方法制备. 粒径为3.5m,w(B4C)>98%,Z02粉末（天津 但是热压烧结不仅使材料的制备成本升高，周期 大学生产，平均粒度为2m,w(Z02)> 长，而且制备材料的形状和尺寸也受到很大限制， 99.5%,活性碳粉末（抚顺碳素厂生产，平均粒度 只适合于生产形状比较简单的制品.相比之下无 为10nm,w(C)>99.8%)为主要实验原料，辅助 压烧结是低成本制备陶瓷材料的一种有效方法， 原料有分析纯丙酮和工业纯聚乙烯醇等.将根据 这种方法不仅制备成本低，而且可以制备形状复 化学反应式(1)按形成体积分数为6%的ZB2计 杂的产品，但目前对于碳化硼陶瓷材料无压烧结 量原料组成配比，称量的原料粉末放入球磨罐中， 技术方面的研究报道很少，己经证明在碳化硼陶 采用分析纯丙酮作为溶剂，利用氧化铝磨球，球磨 瓷材料中引入第二相粒子如TB6,Zb2, 24h后，掺入一定量的聚乙烯醇作为粘结剂，烘干 SC?y等均可提高碳化硼陶瓷的断裂韧性，但这 后过筛造粒：造粒后的粉末在200MPa的压力下 些研究都是基于热压烧结方法进行的.本文利用 压制成尺寸为15mm×15mm×20mm的试样. 化学反应式： 将压制好的试样放在温度为120℃的烘箱中经24 B4C+2Zr02十3C=2Zrb2十4C0↑(1) 烘干后，在石墨电阻炉中进行无压烧结，烧结气 以B4C和ZO2为主要原料，基于机械球磨法混合 氛为氩气. 用阿基米德排水法测定试样密度，采用XRD 收稿日期.2005-05-10修回日期.200603-20 法测定烧结后材料的相组成，用Vickers压痕硬 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50372010) 度仪测定B4C陶瓷复合材料的硬度(Hv)和断裂 作者简介：刘荣(196一)，女，博士研究生：唐获(1955一)， 韧性(K),利用金相显微镜观察腐蚀好试样的显 男，教授，博士 微组织.基于机械混合法无压烧结制备 ZrB2/B4C 陶瓷复合材料 刘 荣1, 2) 茹红强3) 赵 媛3) 唐 荻1) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 2) 南京师范大学动力工程学院, 南京 210042 3) 东北大学材料与冶金学院, 沈阳 110004 摘 要 研究无压烧结条件下原位合成工艺对 ZrB2/ B4C 陶瓷复合材料的烧结致密化、力学性能、 显微组织的影响.结果表明:材料的密度随着烧结温度的增加和保温时间的延长先增加后降低, 在 烧结温度 2 060 ℃, 保温 30 min 时, ZrB2/B4C 复合材料的相对密度可达 93.2 %;材料的硬度随着温 度的升高而增大, 在 2 070 ℃时达到最大值;材料的断裂韧性则随着温度的升高呈现下降趋势, 从 2 000 ℃时的 4.04 MPa·m 1/2下降到 2 060 ℃时的 2.36 MPa·m 1/ 2. 关键词 陶瓷复合材料;B4C 陶瓷;机械混合法;无压烧结 分类号 TB332 收稿日期:2005 05 10 修回日期:2006 03 20 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .50372010) 作者简介:刘 荣( 1965—) , 女, 博士研究生;唐 荻( 1955—) , 男, 教授, 博士 由于碳化硼中 B 与 C 的原子半径很小 、且形 成强共价键, 因而碳化硼具有体积密度小、熔点高 ( 2 450 ℃) 、硬度高 、物理化学性能优良以及吸收 中子等特性, 可广泛用作研磨剂、耐磨部件 、军工 防护材料 、核反应堆的控制棒[ 1] 、核反应屏蔽材 料[ 2] 、高温热电偶[ 3] 和高温结构材料等.但碳化 硼陶瓷很难烧结以及断裂韧性较低, 限制着其推 广和应用 . 目前碳化硼陶瓷多采用热压烧结方法制备. 但是热压烧结不仅使材料的制备成本升高, 周期 长, 而且制备材料的形状和尺寸也受到很大限制, 只适合于生产形状比较简单的制品.相比之下无 压烧结是低成本制备陶瓷材料的一种有效方法, 这种方法不仅制备成本低, 而且可以制备形状复 杂的产品, 但目前对于碳化硼陶瓷材料无压烧结 技术方面的研究报道很少 .已经证明在碳化硼陶 瓷材料中引 入第二 相粒子 如 TiB2 [ 4 6] , ZrB2, SiC [ 7 8] 等均可提高碳化硼陶瓷的断裂韧性, 但这 些研究都是基于热压烧结方法进行的.本文利用 化学反应式: B4C +2ZrO2 +3C =2ZrB2 +4CO ← ( 1) 以B4C 和ZrO2 为主要原料, 基于机械球磨法混合 原料, 通过无压烧结原位合成 ZrB2/B4C 陶瓷复合 材料, 详细探讨了无压烧结工艺对 B4C 基复相陶 瓷组织结构和性能的影响, 其结果对于指导碳化 硼陶瓷的生产以及扩大其应用范围将具有重要的 意义 . 1 实验原料与方法 采用碳化硼粉末( 牡丹江磨料二厂生产, 平均 粒径为3.5 μm, w ( B4C) >98 %) ,ZrO2 粉末( 天津 大学 生 产, 平 均 粒 度 为 2 μm, w ( ZrO2 ) > 99.5 %) , 活性碳粉末( 抚顺碳素厂生产, 平均粒度 为 10 nm, w ( C) >99.8 %) 为主要实验原料, 辅助 原料有分析纯丙酮和工业纯聚乙烯醇等 .将根据 化学反应式( 1) 按形成体积分数为 6 %的 ZrB2 计 量原料组成配比, 称量的原料粉末放入球磨罐中, 采用分析纯丙酮作为溶剂, 利用氧化铝磨球, 球磨 24 h 后, 掺入一定量的聚乙烯醇作为粘结剂, 烘干 后过筛造粒 ;造粒后的粉末在 200 M Pa 的压力下 压制成尺寸为 15 mm ×15 mm ×20 mm 的试样. 将压制好的试样放在温度为120 ℃的烘箱中经24 h 烘干后, 在石墨电阻炉中进行无压烧结, 烧结气 氛为氩气 . 用阿基米德排水法测定试样密度, 采用 XRD 法测定烧结后材料的相组成, 用 Vickers 压痕硬 度仪测定 B4C 陶瓷复合材料的硬度( Hv) 和断裂 韧性( K Ic) , 利用金相显微镜观察腐蚀好试样的显 微组织. 第 28 卷 第 8 期 2006 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.8 Aug.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.08.012