B4C—SiC复合材料的制备及性能研究

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B4C—SiC复合材料的制备及性能研究

作者：李少峰

来源：《佛山陶瓷》2018年第05期

摘要：以碳化硼为基体，碳化硅为增强相，炭黑为烧结助剂，通过热压烧结工艺制备了

B4C-SiC复合材料。测试了其力学性能，并借助SEM对烧结体进行断口形貌观察。结果表明：在本实验条件下，当SiC添加量在9 wt%时材料力学性能最佳，体积密度为2.548 g/cm3，相对密度为99.6 %，抗弯强度为403 MPa，断裂韧性为5.26 MPa·m1/2。显微组织结构致密，晶粒细小、均匀。增韧机理主要为SiC颗粒弥散引起的钉扎效应和裂纹偏转。

关健词：碳化硼；碳化硅；复合材料；热压烧结

1 前言

碳化硼由于具有高硬度（仅次于金刚石和立方氮化硼）、比重小（2.52 g/cm3）、弹性模量高（450 GPa）、耐高温、化学稳定性好、热膨胀系数小、导热率好以及良好的中子吸收能力等特点，因此在机械密封行业、轻质防弹装甲、硬质磨削材料、耐磨轴承、高级耐火材料、航空航天、核反应堆的屏蔽材料等诸多领域得到了广泛地应用[1，2]。但是由于碳化硼的共价键分数高达93.94 %，高于其他结构陶瓷，如SiC（88 %），Si3N4（70 %）等[3]，因此，纯

碳化硼很难烧结致密，需要添加烧结助剂来活化烧结。同时碳化硼是一种脆性材料，断裂韧性KIC≤2.2 MPa·m1/2 [4]，需要加入其他物质对其进行补强增韧。

热压烧结是一种压制成形和烧结同时进行的粉体材料成形工艺。将粉末装在加压模具内，在专门的热压设备中进行加压的同时把粉末加热到熔点以下，在高温下双向或单向施压成形的过程[5，6]。在热压烧结过程中，高温高压的交互作用使粉体颗粒的粘性、塑性流动及原子的扩散能力得以加强，同时颗粒与颗粒之间的接触点因具有较大的接触电阻，在烧结时的大电流下产生电弧放电或局部大量发热，且由于电磁场的作用进一步加快了原子的扩散，有利于烧结颈的形成和长大，具有催化和活化烧结的功效，并有利于坯件的烧结，降低烧结温度、缩短烧结时间、使性能得以提高。热压烧结具有烧结时间短、烧结温度低、产品性能高、晶粒细小等优点，但一般用于制备形状简单的制品[7]。

因此，本文以B4C为基体，SiC为增强相，C为烧结助剂，通过热压烧结制备了B4C-SiC 复合材料。探讨了SiC的加入量对复合材料性能的影响，并讨论了其增韧机理。

2 实验过程

2.1原料

采用牡丹江金刚钻碳化硼有限公司生产的B4C，粒度2.5 μm，纯度≥99.4%；市售工业用SiC，粒度1 μm，纯度≥99%；半补强炭黑，灰分≤0.01 %。