。764 北京科技大学学报 2006年第8期 料致密化的影响结果.由图可知，随着烧结温度 成烧成工艺为烧结温度2060℃，烧结时间30 升高和烧结时间的延长，材料的相对密度先升高 min. 而后下降，材料的开口气孔率则先降低而后略有 23 复合材料的显微组织 升高，当烧结温度为2060℃，烧结时间为30min 图6为不同温度下ZrB2/B:C陶瓷材料的金 时材料相对密度最高达93.2%.这是由于在烧结 相显微组织照片.由图可以看出：复合材料主要 温度较低的情况下，材料中仍然有大量的气孔未 由B4C和ZxB2(图中白色相)两相组成，ZB2第二 排净，烧结致密化未进行完全，材料中含有较多气 相粒子分布于B4C基体的晶内和晶界处；当烧结 孔.导致材料密度较低.而在2040℃之后，烧结 温度较低时，原位生成的ZB2颗粒尺寸较小，平 温度的提高增加了材料的烧结驱动力，加快了材 均粒径为1m:随着烧结温度的升高ZB2颗粒的 料的致密化.使开口气孔率明显减少，在2060℃ 尺寸不断增加，2040℃平均粒径为25m,2060 之后，由于温度升高使材料质量挥发严重，故材料 ℃平均粒径达4m,并且随着烧结温度的升高 的相对密度略有下降，开口气孔率略有升高.综 ZB2颗粒逐渐球形化.从图6还可以看出，随着 上所述，对于ZB2/BC陶瓷复合材料，最佳的合 烧结温度的升高，B4C的晶粒也在不断粗化. 10m 10um 10 um 图6温度对ZB/BC(ZrB26%)陶瓷材料显微组织的影响.(a2000℃，(b)2040℃；(d2060℃ Fig 6 Influence of sintering temperature on ZrB:/BC ceramic microscopic structure (a)2000C:(b)2040 C:(c)2060C 2.4复合材料力学性能 加而加大.材料的气孔率p与维氏硬度的关系可 图7为烧结温度对复合材料维氏硬度和断裂 表示为0山： 韧性的影响，由图可知，复合材料的维氏硬度随着 Hv≈20E.(1-19p+09p (4) 烧结温度的升高而增加，但断裂韧性则随着烧结 温度的升高而下降，K1e从2000℃时的404 式中，E。为复合材料的弹性模量.可以看出，气 MPa'm5降到2060Q时的2.39MPam05,下降 孔率p越大，硬度越低.由图4可以看出，气孔率 了约41%. 与密度成反比，当密度增大时，气孔率降低，则硬 无机材料的密度和硬度有着密切的关系.一 度应当提高.当烧结温度升高时，材料的密度增 般来说，材料较为致密，其硬度也会随着密度的增 加，硬度也随之增大，在2060℃之后，虽然材料的 15.0 相对密度略有下降，但随着烧结温度的升高晶粒 4.5 长大程度在增加，晶粒的完整性也在增加，故材料 36 --Hy 的维氏硬度也在增加. 34 3.5 图8为复合材料的断裂裂纹形貌.材料的断 3.0 裂韧性与材料的断裂能量有关.由于晶界是一种 28 2.5 强度缺陷，在材料的断裂过程中，裂纹主要沿晶界 26990 2.0 2010203020502070 扩展.对于晶粒较细小的组织，裂纹沿晶界扩展 t/℃ 时消耗的断裂功大，因而材料的断裂韧性较高：同 图7烧结温度对材料硬度和断裂韧性的影响 时因为复合材料的晶粒尺寸随着烧结温度的升高 Fig.7 Influences of sintering temperatures on hardness and 而变大，所以复合材料的断裂韧性随着烧结温度 fracture toughness 的升高而变小.在2000℃时，由于烧结温度比较料致密化的影响结果.由图可知, 随着烧结温度 升高和烧结时间的延长, 材料的相对密度先升高 而后下降, 材料的开口气孔率则先降低而后略有 升高, 当烧结温度为 2 060 ℃, 烧结时间为 30 min 时材料相对密度最高达 93.2 %.这是由于在烧结 温度较低的情况下, 材料中仍然有大量的气孔未 排净, 烧结致密化未进行完全, 材料中含有较多气 孔, 导致材料密度较低.而在 2 040 ℃之后, 烧结 温度的提高增加了材料的烧结驱动力, 加快了材 料的致密化, 使开口气孔率明显减少, 在 2 060 ℃ 之后, 由于温度升高使材料质量挥发严重, 故材料 的相对密度略有下降, 开口气孔率略有升高 .综 上所述, 对于 ZrB2/B4C 陶瓷复合材料, 最佳的合 成烧成工艺为烧结温度 2 060 ℃, 烧结时间 30 min . 2.3 复合材料的显微组织 图6 为不同温度下 ZrB2/B4C 陶瓷材料的金 相显微组织照片 .由图可以看出:复合材料主要 由 B4C 和 ZrB2( 图中白色相) 两相组成, ZrB2 第二 相粒子分布于 B4C 基体的晶内和晶界处 ;当烧结 温度较低时, 原位生成的 ZrB2 颗粒尺寸较小, 平 均粒径为 1μm ;随着烧结温度的升高ZrB2 颗粒的 尺寸不断增加, 2 040 ℃平均粒径为 2.5 μm, 2 060 ℃平均粒径达 4 μm, 并且随着烧结温度的升高 ZrB2 颗粒逐渐球形化.从图 6 还可以看出, 随着 烧结温度的升高, B4C 的晶粒也在不断粗化 . 图 6 温度对 ZrB2/ B4C( ZrB2 6%) 陶瓷材料显微组织的影响.( a) 2 000 ℃;( b) 2 040 ℃;( c) 2 060 ℃ Fig.6 Influence of sintering temperature on ZrB2/ B4C ceramic microscopic structure:( a) 2 000 ℃;( b) 2 040 ℃;( c) 2 060 ℃ 图 7 烧结温度对材料硬度和断裂韧性的影响 Fig.7 Influences of sintering temperatures on hardness and fracture toughness 2.4 复合材料力学性能 图 7 为烧结温度对复合材料维氏硬度和断裂 韧性的影响, 由图可知, 复合材料的维氏硬度随着 烧结温度的升高而增加, 但断裂韧性则随着烧结 温度的升高而下降, K Ic 从 2 000 ℃时的 4.04 M Pa·m 0.5降到 2 060 ℃时的 2.39 MPa·m 0.5 , 下降 了约 41 %. 无机材料的密度和硬度有着密切的关系.一 般来说, 材料较为致密, 其硬度也会随着密度的增 加而加大 .材料的气孔率 p 与维氏硬度的关系可 表示为[ 10, 11] : Hv ≈ 1 20 Eu ( 1 -1.9 p +0.9p 2 ) ( 4) 式中, E u 为复合材料的弹性模量.可以看出, 气 孔率 p 越大, 硬度越低.由图 4 可以看出, 气孔率 与密度成反比, 当密度增大时, 气孔率降低, 则硬 度应当提高.当烧结温度升高时, 材料的密度增 加, 硬度也随之增大, 在 2060 ℃之后, 虽然材料的 相对密度略有下降, 但随着烧结温度的升高晶粒 长大程度在增加, 晶粒的完整性也在增加, 故材料 的维氏硬度也在增加 . 图 8 为复合材料的断裂裂纹形貌.材料的断 裂韧性与材料的断裂能量有关.由于晶界是一种 强度缺陷, 在材料的断裂过程中, 裂纹主要沿晶界 扩展 .对于晶粒较细小的组织, 裂纹沿晶界扩展 时消耗的断裂功大, 因而材料的断裂韧性较高;同 时因为复合材料的晶粒尺寸随着烧结温度的升高 而变大, 所以复合材料的断裂韧性随着烧结温度 的升高而变小.在 2 000 ℃时, 由于烧结温度比较 · 764 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 8 期