编号：CYYJ043989
篇名： 反应烧结碳化硼陶瓷坯体孔结构的调控和材料力学性能的研究
作者： 任全兴
关键词： RBBC复合材料; 凝胶注模成型; 孔隙结构调控; 熔渗动力学; 力学性能; 增韧补强;
机构：东北大学
摘要： 随着现代战争模式的转变,战争对人员和车辆的防护要求越来越高,反应烧结碳化硼(Reaction bonded boron carbide,RBBC)陶瓷复合材料因其密度低、成本低和抗弹性好等特点一直备受国内外研究人员的青睐。但是,RBBC复合材料内部存在的残余硅(Si)和碳化硼(B4C)陶瓷的低韧性严重影响了该材料的广泛应用。为了进一步提升RBBC复合材料的力学性能,本论文采用凝胶注模成型工艺制备B4C/C多孔坯体,通过对其坯体孔隙结构调控和添加碳化硅晶须(SiCw)的手段,实现对RBBC复合材料力学性能的优化。本论文主要研究内容及结果如下: (1)采用低毒性间苯二酚甲醛水基凝胶体系,利用凝胶注模成型工艺制备了B4C/C多孔坯体,通过调节体系中催化剂的种类、浓度以及B4C颗粒级配,调控了坯体的孔结构参数,研究了 B4C/C多孔坯体的凝胶注模成型技术和坯体孔结构的调控机理。结果表明:在碱性催化剂的作用下,间苯二酚和甲醛反应形成由-CH2-和-CH2-O-CH2-键连接的三维网络胶体并将B4C颗粒包裹,成功制备出B4C/C多孔坯体;随着催化剂活性或浓度的提高,B4C/C多孔坯体中多孔碳的孔径尺寸和坯体的开口气孔率逐渐降低,B4C/C多孔坯体的孔结构逐渐由单一大孔转变为单一介孔,再转变为等级大孔-介孔;以粒径(d50)分别为39.85 μm、9.01 μm和1.97 μm的B4C粉体为原料,通过调节B4C颗粒级配可以进一步调控B4C/C多孔坯体的孔结构。 (2)采用座滴法研究了 Si在不同孔结构B4C/C多孔坯体中的熔渗行为和Si熔渗动力学规律。结果表明:熔融Si在B4C/C多孔坯体表面的熔渗过程分为Si液滴铺展和最终表观平衡两个阶段,该过程伴随着Si液滴的铺展和浸渗;随着Si液滴的渗入,在坯体中沿着与Si接触界面依次出现饱和渗流层、饱和/非饱和混合渗流层和非饱和渗流层三个区域;Si浸渗后使B4C/C坯体固相层体积增加47.9%,并导致Si液滴的浸渗速率随时间的延长逐渐减小。 (3)将液态Si渗入不同孔结构的B4C/C多孔坯体中制备出RBBC复合材料,分别研究了多孔碳颗粒尺寸和B4C颗粒级配对复合材料中SiC和残余Si的形貌、分布与含量的影响,研究了 RBBC复合材料的显微组织和力学性能。结果表明:随着多孔碳颗粒尺寸的减小,复合材料中SiC颗粒尺寸先减小后增大、残余Si含量逐渐降低、复合材料的力学性能先升高后降低;在B4C颗粒级配的RBBC复合材料中,粗颗粒B4C在液态Si中部分溶解形成“核-壳”结构的碳化硼相,随着颗粒堆积密度的提升,SiC颗粒尺寸逐渐减小、残余Si含量逐渐降低,当粗、中、细B4C颗粒级配质量比为6:1:3时,残余Si含量可降低至7.22 vol.%,RBBC复合材料的抗折强度、断裂韧性和维氏硬度分别可达 299±17 MPa、4.09±0.17 MPa·m1/2 和 21±3 GPa。 (4)分别采用外加和原位生长两种方式引入SiCw对RBBC复合材料增韧补强,研究了 SiCw对复合材料显微组织、B4C-SiCw界面反应和复合材料力学性能的影响,阐明含晶须RBBC复合材料的微观组织演变规律和增韧机理。结果表明:在外加SiCw时,RBBC复合材料中具有“哑铃型”的B4C-SiCw-B4C结构,该结构对材料具有增韧补强作用,当SiCw添加量为1.25 wt.%时,RBBC复合材料的抗折强度和断裂韧性分别可达382±19 MPa和5.29±0.18 MPa·m1/2;以镍为催化剂可以在RBBC复合材料中原位生成SiC纳米晶和SiCw,当坯体中碳含量为20 vol.%时,复合材料抗折强度和断裂韧性分别可达 402±19 MPa 和 5.48±0.34 MPa·m1/2。