编号：FTJS108065
篇名： B4C-YAS陶瓷的低温烧结制备及力学性能研究
作者： 王美静
关键词： 碳化硼; 钇铝硅玻璃; 低温烧结; 放电等离子烧结; 力学性能;
机构：烟台大学
摘要： 碳化硼（B4C）陶瓷具有超高硬度、低密度以及优异的中子吸收能力,被誉为“黑钻石”,在航空航天、防弹装甲及核工业等领域具有广阔的应用前景。然而,B4C极强的共价键导致其烧结温度高、致密化困难且断裂韧性低,严重制约了其广泛应用。针对“如何在低温下同时实现B4C陶瓷致密化与增韧”这一问题,本文提出引入YAS低熔点体系液相辅助致密化,并结合预氧化处理表面改性的协同策略。 首先,为解决第二相分布不均的问题,采用了机械球磨混合的方式制备B4C/YAS复合粉体。系统研究了B4C粒径、YAS含量、球磨转速、球磨时间及球料比对包覆效果的影响。结果表明,粒径45～75μm的B4C,在YAS含量为25 wt.%、球磨转速380 r/min、球磨时间12 h及球料比3:1的优化工艺下,成功获得了YAS纳米颗粒均匀附着于B4C表面的复合粉体,为后续烧结提供了高质量的原料。 随后,利用放电等离子烧结（SPS）技术,研究了YAS组成（Y2O3含量）和烧结温度对B4C-YAS陶瓷致密化行为、物相组成、微观结构及力学性能的影响。研究发现,YAS体系作为第二相,能在1700℃的较低温度下形成连续液相,促进颗粒重排与致密化。当Y2O3:Al2O3:SiO2的质量比为8:5.675:11.325时,陶瓷的综合性能最佳,其相对密度为93.47%,维氏硬度为20.13 GPa,抗弯强度为280.10 MPa,断裂韧性提升至3.64 MPa·m1/2,相较于纯B4C提高了约65%。 为进一步优化该陶瓷性能,提出了预氧化处理在B4C表面原位生成B2O3玻璃相。研究了预氧化温度（450～600℃）和时间（15～60 min）对烧结后陶瓷微观结构和力学性能的影响。结果表明,适量的预氧化在B4C表面生成的B2O3玻璃相可在烧结过程中促进液相流动并愈合缺陷,有助于陶瓷的致密化过程。在600℃下预氧化15 min后,所制备的B4C-YAS陶瓷展现出最优异的综合力学性能:相对密度为97.26%,维氏硬度达到29.92 GPa,抗弯强度为315.65 MPa,断裂韧性更是达到8.01MPa·m1/2,较未预氧化样品分别提升了48.7%、12.7%和120%。 综上所述,本研究通过包覆粉体制备、YAS第二相引入及预氧化工艺优化,成功实现了B4C陶瓷的低温烧结与强韧化,为解决其烧结难题和性能瓶颈提供了新的思路,对推动高性能B4C陶瓷的工业化应用具有重要意义。