D0I:10.13374/j.issn1001053x.2000.02.020 第22卷第2期 北京科技大学学报 Vol.22 No.2 2000年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing APr.2000 S型B,C-SiC/C功能梯度材料的设计和制备 沈卫平吴波中李江涛 葛昌纯 北京科技大学材料工程与科学学院特陶研究室，北京100083 摘要对(1-x)(80%B,C-20%SiC)xC(体积分数)功能梯度材料的x=0.2,0.4,0.6,0.8的各层 分别在2000℃，20MPa进行了热压，测定了各层的密度，线膨胀系数，弹性模量和抗弯强度等. 按线性成分分布函数的6层和11层梯度材料热压后都出现了裂纹.采用了不同于幂函数的S 型成分分布函数设计，热压了11层(x=0.2~1.0)的功能梯度材料，其抗弯强度为216MPa,抗热震 性>500℃. 关键词功能梯度材料：S型成分分布函数：B,C:SiC:C 分类号V257 B,C是一种典型的共价键化合物，BC晶格 1实验方法 中的强极性共价键特性使得B:C用传统的烧结 方法致密化非常困难，但通过热压和加入活化 表1为实验所用原料 添加剂可以烧结成致密化的B,C 表1粉末特性 B.C加入20%SiC(体积分数)，在2150℃热 Table 1 Characteristics of powders 压30min,可获得抗弯强度750MPa,断裂韧性 粉末原料 纯度% 粒度 BC >90 Kic5.92 MPa.m 20μm Si >90 -200目 C是B,C重要的烧结添加剂，加入酚醛树 C >98.5 -100目 脂（相当于1%~3%C(质量分数）)到亚微米B,C 粉末中，在2150℃下无压烧结，可获得其密度 配成(1-x)(80%B.C-20%SiC)/xC(体积分 >98%的B,C. 数)-0.2,0.4,0.6,0.8,1)的6种原料，做单层样 用亚微米B.C粉末，加9%~10%SiC,1%一3% 品.在尼龙罐，用硬质合金球搅拌，加乙醇，混料 C(质量分数)在2000-2100℃无压烧结，其密度 1h.梯度样品按成分设计在模具中铺料. 可达到97%99.7%. 在Ar气中，先加5MPa的压力，在Si的熔 对70%C-19%B.C-11%SiC(体积分数)的碳/ 点附近样品收缩时保温以生成B一SiC;当收缩 陶材料，在2000℃，25MPa热压，用石油焦作原 结束时，再升温到-2000℃，压力-20MPa.热压、 料比鳞片石墨得到的B,C密度高，各向同性好. 平磨和抛光后样品直径40mm,厚度约5mm. 加入阝-SiC与加入-SiC相比，密度、强度均有 用排水法测定了样品的显气孔率、吸水率、 所提高，电阻率下降，断裂韧性提高20%左右. 密度和相对密度；用3点弯曲测定了抗弯强度 用设计功能梯度材料的方法，可把耐等离 和弹性模量：在大气中测定了线膨胀系数， 子冲刷的组分面向等离子体，热导率高的组分 S型11层B,C-20%SiC/C(体积分数)的梯度 面向冷却介质，通过成分梯度缓和热应力，以提 材料热压后陶瓷层向下测定了抗弯强度.另外， 高材料的耐热冲击性. 在500℃保温0.5h后淬水，再测定其抗弯强度， B,C-SiC/C梯度材料中，B,C-SiC一侧的弹 以考察抗热震性， 性模量较大，若热应力大于其强度，就会造成表 面开裂，因石墨的强度较低，石墨一侧也应作缓 2实验结果分析与讨论 和热应力的设计.为此本文设计了两端都缓和 2.1显气孔率、吸水率、密度和相对密度 热应力的S型成分分布函数， 碳的体积分数(/%)对显气孔率、吸水率、 1999-12-18收稿沈卫平男48岁，高级工程师 密度和相对密度的影响分别见图1~图4. *国家“863"基金资助项目(No.863-715-0230)第 22 卷 第 2 期 2 0 00 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e sr iyt o f s e i e n e e a n d l ’e c h n o l o gy B e ij i n g V心1 . 2 2 N o . 2 A P .r 2 0 0 0 S 型 B 4 C 一 SI C /C 功 能梯度材料 的设计和制备 沈卫 平 吴波中 李江涛 葛昌纯 北京科技 大学材料工程与科学学 院特陶研究室 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 对 ( 1 一x) (80 % B 4 C佗0% S I )C x/ (C 体积 分数 ) 功能梯 度材 料 的 x = 0 . 2 , .0 4 , .0 6 , .0 8 的各 层 分别 在 2 0 0 0℃ , 20 M aP 进 行 了热压 , 测定 了各层 的密 度 , 线 膨胀 系数 , 弹性 模量和 抗 弯强度 等 . 按线 性成 分 分布 函数 的 6 层和 1 层梯 度材 料热 压后 都 出现 了裂 纹 . 采 用 了不 同于幂 函数 的 S 型成 分分 布 函数设 计 , 热压 了 n 层 (x = .0 2一 1 . 0) 的功 能梯度材 料 , 其抗 弯强度 为 Z 16 M aP , 抗热 震 性 > 5 0 0℃ . 关键 词 功 能 梯度 材料 ; S 型成 分 分布 函数 : B 4 C ; S CI : C 分类号 V 25 7 B 4 C 是 一 种典 型 的共价 键化合物 , B 4 C 晶格 中的强 极性 共价键特 性使得 B 4 C 用 传统 的 烧结 方 法致密化 非常 困 难 , 但 通过热 压和 加入 活化 添 加剂可 以烧 结成 致密化 的 B 4 C[ ” . B 4 C 加入 2 0% S IC ( 体 积分数 ) , 在 2 1 5 0℃ 热 压 3 0 m in , 可 获得抗 弯强 度 7 50 M Pa , 断裂 韧性 凡 e s · 9 2 M Pa · m ` 2/ [ , ] . C 是 B 4 C 重要 的烧 结添 加剂 , 加入酚 醛树 脂 ( 相 当于 1% 一 3% C ( 质 量分数 ) ) 到亚微米 B 4 C 粉末 中 , 在 2 1 5 0℃ 下 无压烧 结 , 可 获得其密 度 > 9 8% 的 B 4 C 「, , . 用 亚 微米 B 4 C 粉 末 , 加 9% 一 10 % S IC , l% 一 3% C ( 质量分数 ) 在 2 0 0 0一 2 10 ℃ 无 压烧 结 , 其密度 可 达 到 97 % 一9 9 . 7% 4[] . 对 7 0% C 一 1 9% B 4 C 一 1 1% S I C (体积分数 ) 的碳 / 陶材料 , 在 2 0 0 ℃ , 25 M P a 热压 , 用石 油焦作原 料 比鳞 片石墨得 到的 B 4 C 密度 高 , 各 向同性好 . 加入卜s iC 与加 入 -a S IC 相 L匕 , 密 度 、 强 度均有 所提高 , 电阻 率下 降 , 断裂韧性提高 20 % 左 右 〔5] . 用 设计 功能 梯度 材料 的 方法 , 可把 耐等离 子 冲刷 的组分面 向等离子 体 , 热导率 高的组 分 面 向冷却 介质 , 通过成 分梯度缓和 热应力 , 以提 高材料 的耐热冲 击性 〔6〕 . B 4 C 一 S IC /C 梯度 材料 中 , B 4 C 一 S IC 一 侧 的 弹 性模量较大 , 若热应 力大于 其强度 , 就会造成表 面开 裂 . 因石墨 的强 度较低 , 石墨 一 侧也 应作缓 和 热 应力 的设计 . 为此本 文 设计 了 两端都 缓和 热 应 力 的 S 型成 分分布 函 数 . 19 9 一 12 一 18 收 稿 沈卫 平 男 48 岁 , 高级 工程 师 * 国家 ’, 8 6 3 , , 基 金 资助 项 目 ( N o . 8 6 3 一 7 1 5 一 0 2 3 0 ) 1 实验方法 表 1 为实验 所用 原料 . 表 1 粉末特性 aT bl e 1 C h a r a e t e r i s t i e s o f P o w d e r s 粉末原料 B 4 C 纯度 % > 90 > 90 > 9 8 . 5 粒度 20 林111 一 2 0 0 目 一 10 0 目 配 成 ( l 一x ) ( 8 0 % B 4 C屯0 % S IC ) x/ C ( 体积 分 数 ) (厂0 . 2 , 0 . 4 , 0 . 6 , 0 . 8 , 1) 的 6 种 原料 , 做单层样 品 . 在尼 龙罐 , 用硬质合金球搅拌 , 加 乙 醇 , 混料 l h . 梯 度样 品 按成分设计在 模具 中铺料 . 在 A r 气 中 , 先 加 S M aP 的压力 , 在 is 的熔 点 附近 样 品 收缩 时保温 以 生 成 p一is ;C 当 收缩 结束时 , 再升温 到一 2 0 0 ℃ , 压力一20 M P a . 热压 、 平磨和 抛光 后样 品 直径 40 ~ , 厚度约 s m m . 用排水法测 定 了 样品 的显气孔率 、 吸 水率 、 密度和 相 对密 度 ; 用 3 点 弯 曲测定 了抗弯 强 度 和 弹性模 量 ; 在大气 中测定 了线 膨胀系数 . S 型 1 1 层 B ; C 一 2 0% S IC C/ ( 体积分数 ) 的 梯度 材料热压后 陶瓷 层 向下 测 定 了抗弯 强度 . 另外 , 在 50 0 ℃ 保温 .0 5 h 后 淬水 , 再 测 定 其抗弯强 度 , 以考察抗 热震性 . 2 实验结果分析与讨论 2 . 1 显气孔率 、 吸水率 、 密度和 相对密度 碳 的体积分 数( p 。 / % )对显气孔 率 、 吸水 率 、 密度 和 相 对 密度 的影 响分 别见 图 l 一 图 4 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 02. 020