摘要
碳化硼（B4C）是一种性能优异的陶瓷材料，其密度低、硬度高、中子吸收性能好。因而B4C陶瓷有极大的工业应用价值，能够应用在航空航天、机械工程、化学化工、国防军工等多个领域。但是B4C材料的应用受到了烧结困难的限制，B4C的高共价键含量使得常规烧结方式难以使其烧结致密。 本文采用反应烧结工艺制备反应烧结碳化硼（RBBC）复合材料。反应烧结是一种净尺寸的烧结技术，具有烧结温度低、设备要求低、成本低等优点。反应烧结能够使碳化硼陶瓷烧结致密，且能实现大尺寸、复杂形状的制备，因而能够制备性能优异且具有工业应用价值的B4C复相陶瓷。但是在碳化硼的反应烧结中，存在着制品强度较低、反应过程中主相碳化硼损耗、烧结制品残余硅含量较高等问题。针对反应烧结碳化硼复合材料中所存在的问题，本研究突破主相保护等关键技术，优化RBBC复合材料的综合性能，研究总结结构与性能的变化关系，阐明B4C陶瓷反应烧结机理和性能优化机制。具体研究内容如下: 通过B4C粉体颗粒尺寸的调控，优化渗硅孔道，提升RBBC复合材料性能。以不同粒径B4C粉末为原料，采用反应烧结工艺，制备RBBC复合材料，研究B4C粉体颗粒尺寸对熔渗孔道的影响，探索微观结构与力学性能的变化规律。结果表明:B4C粒径对素坯孔径，即渗硅孔道的大小产生显著影响。随着B4C粒径的增加，素坯平均孔径也随之增加，复合材料的强度先升高后降低。当选用20μm B4C时，陶瓷致密度高，弯曲强度最佳（382MPa）。随着B4C晶粒尺寸的增加，RBBC复合材料相分布的均匀性先变好后变差。在RBBC复合材料中，B4C晶粒长大、大尺寸SiC区域的生成，这是主相B4C溶解所产生的现象。主相B4C溶解最终导致RBBC复合材料强度变低、性能变差。 通过碳源保护，减少反应烧结过程中主相B4C的损耗。以20 μm的B4C粉体为原料，引入不同含量的高活性纳米炭黑，采用反应烧结工艺制备RBBC复合材料。研究碳源保护对渗硅孔道构筑的优化作用，探索碳源保护对RBBC复合材料微观结构的影响，以及碳源保护后RBBC复合材料性能的变化规律，阐明添加C与主相B4C的竞争反应机制及生成SiC阻止主相B4C溶解的保护作用。结果表明:随着C的含量的增加，素坯的平均孔径逐渐减小。小孔径提供了较大的毛细管力，有利于液态硅进入素坯当中。随着C的添加，RBBC复合材料中B4C得到有效保护，颗粒完整，晶界无腐蚀形貌，反应所生成的SiC颗粒小且分布均匀。弯曲强度与弹性模量随着C含量的增加先升高后降低，当C的添加量为10wt％时达到最佳，分别为444 MPa、329 GPa。 通过组分优化，降低RBBC复合材料残余硅含量，优化材料性能。以20 μm的B4C粉末为原料，10wt％高活性纳米炭黑为额外碳源，引入不同含量亚微米SiC粉体，采用反应烧结工艺制备RBBC复合材料。研究组分设计对RBBC复合材料相组成的影响，探索力学性能及微观结构的变化规律，阐明SiC颗粒优化微观结构及提升力学性能的作用机制。添加后，RBBC复合材料相分布均匀，生成的SiC晶粒小，碳化硼溶解现象进一步减少。掺入小尺寸SiC后，进一步挤压残余硅在体系内的驻留空间，导致残余硅含量明显降低，最佳为9wt％。残余硅含量的降低也使得弹性模量得到提升，稳定在350GPa左右。SiC的掺入使弯曲强度明显提升，最佳达到498 MPa。
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