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1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案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(guò)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1933℃，壓力20MPa，保溫時(shí)間1h，添加劑配比Al2O3:C＝1:1，相對(duì)密度90.33％，抗彎強(qiáng)度144.21MPa。采用最佳的成分
2、配比和燒結(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1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[1,2]、和核工業(yè)[3,4]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，因而目前碳化物陶瓷制備存在的最主要的問(wèn)題是其燒結(jié)溫度較高，燒結(jié)困難，難以實(shí)現(xiàn)致密化；其次是制造成本高，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
3、上致密化的問(wèn)題顯得尤為重要。2材料與方法本文采用碳化硼粉、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(wú)水乙醇為分散介質(zhì)，以剛玉球?yàn)槟デ?，裝在球磨機(jī)中進(jìn)行混料，其中，料:球:酒精＝1:3:1。球磨后的漿料晾干，之后用壓力機(jī)干壓成型。素坯的尺寸約為58mm×20mm。將素坯置于涂有BN的石墨模具中，一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)中以碳化硼為基體，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1900℃、熱壓壓力為20MPa、保溫時(shí)間
4、為1h。表2.1材料配方試樣號(hào)B4C/wt%Al2O3/wt%C/wt%理論密度/g·cm-3A3C17022.57.52.821A2C17020102.777A1C17015152.6883結(jié)果與分析3.1Al2O3和C的配比對(duì)碳化硼燒結(jié)體致密度的影響表3.1是Al2O3/C配比對(duì)碳化硼陶瓷燒結(jié)體的尺寸收縮率、氣孔率、相對(duì)密度的影響。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案表3.1Al2O3/C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(﹪)7.168.710.7相對(duì)密度(﹪)85.4383.4182
5、.58如表3.1所示，隨著Al2O3/C配比的增大，試樣的尺寸收縮率和相對(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(kāi)口氣孔率）。其中，尺寸收縮率是表征陶瓷燒結(jié)的一個(gè)較重要的方面，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(guò)程，在燒結(jié)過(guò)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)方面。圖3.1是Al2O3/C配比與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系曲線。由圖3.1可知，隨著Al2O3/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)96.24MPa。由上述可知，當(dāng)Al2O3:C＝1
6、:1的時(shí)候，試樣致密度達(dá)到最大值，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，Al2O3/C配比為1:1時(shí)生成最大比例的液相，大量的液相促進(jìn)碳化硼陶瓷的致密化。圖3.1Al2O3/C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Al2O3: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1h，燒結(jié)溫度設(shè)為1850℃、1900℃、1933℃。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
7、度（℃）185019001933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℃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(shuō)明燒結(jié)溫度為1933精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案℃時(shí)是碳化硼陶瓷的最佳燒結(jié)溫度。所以燒結(jié)溫
8、度相對(duì)于文獻(xiàn)[5]大約降低了170℃。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(guò)程中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)
