碳化物陶瓷致密化的研究

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1、碳化物陶瓷致密化的研究學(xué)生李淼指導(dǎo)教師穆柏春（材料與化學(xué)工程學(xué)院，錦州121001）摘要：本文采用真空熱壓燒結(jié)的工藝，以氧化鋁和活性炭作為燒結(jié)助劑，制備了碳化硼陶瓷材料。同時(shí)探討氧化鋁和活性炭的配比、燒結(jié)溫度、熱壓壓力和保溫時(shí)間對(duì)燒結(jié)體致密度、力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，以氧化鋁和活性炭為燒結(jié)助劑，燒結(jié)過程中熱壓壓力越大、致密度越高、抗彎強(qiáng)度也越大；碳化硼燒結(jié)的最佳條件：燒結(jié)溫度1933C,壓力20MPa,保溫時(shí)間lh,添加劑配比ALOj：C=1:1,相對(duì)密度90.33%,抗彎強(qiáng)度144.21MPa。采用最佳的成分配比和燒

2、結(jié)工藝可以實(shí)現(xiàn)碳化硼陶瓷的低溫?zé)Y(jié)。關(guān)鍵詞：碳化硼；真空熱壓燒結(jié)；力學(xué)性能；燒結(jié)助劑引言碳化物陶瓷由于具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕和高溫強(qiáng)度好等優(yōu)異性能而備受關(guān)注，它在航空、航天、電子、汽車、機(jī)械、化工“⑵、和核工業(yè)3"眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。其中，碳化硼陶瓷由于其特性已成為重要的碳化物陶瓷。但是，由于碳化物陶瓷是共價(jià)鍵很強(qiáng)的化合物，燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散速率很低，因而廿前碳化物陶瓷制備存在的最主要的問題是其燒結(jié)溫度較高,燒結(jié)困難，難以實(shí)現(xiàn)致密化；其次是制造成本窩，制品性能的可靠性和重現(xiàn)性也較差。因此,在碳化物陶瓷的制備上致密化的問題顯

3、得尤為重要。2材料與方法本文采川碳化硼粉、氧化鋁粉、活性炭等為主要原料。將碳化硼粉、氧化鋁粉、活性炭按表2.1配比稱重后，以無水乙醉為分散介質(zhì)，以剛玉球?yàn)閾砬?，裝在球攜機(jī)中進(jìn)行混料，其中，料：球:酒精=1:3:1。球磨后的漿料晾干，Z后用壓力機(jī)干壓成型。素坯的尺寸約為58mmX20ninio將素坯置于涂有BN的石墨模具中，-?并裝入真空熱壓爐內(nèi)燒結(jié)。試樣經(jīng)加工后分別測(cè)試性能。實(shí)驗(yàn)屮以碳化硼為基體，選擇不同配比的氧化鋁與活性炭粉為燒結(jié)助劑，其試驗(yàn)配方如表2.1所示。燒結(jié)溫度設(shè)為1900C、熱壓壓力為20MPa＞保溫時(shí)間為l

4、h。表2.1材料配方試樣號(hào)B.；C/wt%AbOs/wt%C/wt%理論密度/g?cm'3A3C17022.57.52.821A2C17020102.777A1C17015152.6883結(jié)果與分析3.1ALO3和C的配比對(duì)碳化硼燒結(jié)體致密度的影響衣3.1是A1A/C配比対碳化硼陶瓷燒結(jié)體的尺寸收縮率、氣孔率、和對(duì)密度的影響。表3.1AL0.7C配比與試樣性能的關(guān)系燒結(jié)助劑的配比123尺寸收縮率（％）63.760.757.5氣孔率（％）7.16&710.7相對(duì)密度（％）85.4383.4182.58如表3.1所示，隨＜A

5、LOb/C配比的增大，試樣的尺寸收縮率利相對(duì)密度逐漸減小，氣孔率逐漸增加（本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)的是開口氣孔率）。其中，尺寸收縮率是表征陶瓷燒結(jié)的一個(gè)較亜要的方而，因?yàn)橐话闱闆r下，尺寸收縮率越大，試樣的致密度越大。陶瓷燒結(jié)是一個(gè)復(fù)雜的過程，在燒結(jié)過程中總伴有物質(zhì)的揮發(fā)，所以尺寸收縮率是研究陶瓷致密化的一個(gè)方而。圖3.］是A12O3/C配比與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系曲線。由圖3.1可知,隨著ALOs/C配比的增大,試樣的抗彎強(qiáng)度逐漸減小，試樣A1C1的抗彎強(qiáng)度最大，達(dá)96.24MPao由上述可知，當(dāng)A120s：C=1:1的時(shí)候，試樣致密度達(dá)到

6、最大值，同時(shí)試樣的抗彎強(qiáng)度也達(dá)到最大值。這是因?yàn)?，在添加劑總量一定的情況下，ALO/C配比為1:1時(shí)牛成最大比例的液相，大量的液相促進(jìn)碳化硼陶瓷的致密化。圖3.1AbOVC配比與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系曲線3.2燒結(jié)溫度對(duì)碳化硼燒結(jié)體致密度的影響本節(jié)實(shí)驗(yàn)選擇Al203：C=1:1的試樣A1C1為研究對(duì)象,熱壓壓力為20MPa,保溫時(shí)間為lh,燒結(jié)溫度設(shè)為1850°C、1900°C、1933°Co表3.2是燒結(jié)溫度與尺寸收縮率、氣孔率、相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度的關(guān)系。表3.2燒結(jié)溫度與試樣性能的關(guān)系試樣號(hào)123燒結(jié)溫度（°C）185019

7、001933尺寸收縮率（％）56.3163.767.87氣孔率（％）26.277.161.49相對(duì)密度（％）67.9385.4390.33抗彎強(qiáng)度（MPa）61.2396.24144.21如表3.2所示，隨著試樣燒結(jié)溫度的增加，試樣的尺寸收縮率、相對(duì)密度和抗彎強(qiáng)度都呈上升趨勢(shì)，而試樣的氣孔率逐漸減小。碳化硼陶瓷的燒結(jié)溫度在1933°C時(shí)，燒結(jié)體的致密度達(dá)到最大值,其相對(duì)密度為90.33%,抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值144.21MPa,說明燒結(jié)溫度為1933°C時(shí)是碳化硼陶瓷的故佳燒結(jié)溫度。所以燒結(jié)溫度相對(duì)于文獻(xiàn)［5］大約降低了1

8、70°C。這是由于溫度的升高導(dǎo)致氧化鋁顆粒、活性炭和部分碳化硼反應(yīng)加速，形成大量的液相，而液相的形成促使材料原子的擴(kuò)散速率增加，促進(jìn)碳化硼陶瓷快速燒結(jié)。實(shí)驗(yàn)過程屮所選擇的溫度使試樣燒結(jié)時(shí)出現(xiàn)液相，使用高于液相形成的溫度可以提高材料原子的擴(kuò)散速度、潤(rùn)濕性和固相在液相中的溶解度，降低液相的黏度和增加液相的數(shù)暈，所有的這些