摘 要

B₄C与TiB₂性质类似，两者都有较高的硬度和较低的密度，本实验将B₄C作为基体，TiB₂作为第二相，通过热压烧结制备B₄C-TiB₂复相陶瓷，来改善碳化硼断裂韧性低的缺点，进而提高复相陶瓷的力学性能、导电性能和烧结性能。通过引入不同含量的TiB₂制备出不同体积分数的B₄C-TiB₂二元复相结构，并表征复合陶瓷的力学性能和微观结构，确定TiB₂最佳引入量，并分析TiB₂作为添加剂的强韧化机理。

研究结果表明：本实验采用固相烧结法制备B₄C-TiB₂复相陶瓷，以B₄C和TiB₂粉体为原料，设计TiB₂含量分别为10、20、30、40 vol%，制备出不同TiB₂含量的B₄C-TiB₂二元复相陶瓷，通过对其力学性能（相对密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性）和导电性能（电导率）的观察和分析，最终确定TiB₂的最佳引入量为30 vol%。材料内部的应力分布情况很大程度上会影响复合陶瓷材料的强度，当材料受到外力作用时，其断裂一般容易从产生拉应力的部位开始。如果材料内部存在压应力，则作用在材料上的拉应力会优先抵消材料内部的压应力，然后剩余的有效拉应力才会对材料起破坏作用。当TiB₂含量低于30 vol%时，B₄C的压应力起主要作用，使得B₄C-TiB₂二元复相陶瓷强度提高；当TiB₂含量高于30 vol%时，TiB₂的拉应力起主要作用，使得B₄C-TiB₂二元复相陶瓷强度降低。

本文的特色：采用固相烧结法制备碳化硼，不存在组织间的溶解，也不出现新的组成物和新相；选择TiB₂颗粒作为添加剂，因为TiB₂密度适中，不会对B₄C低密度产生较大影响，同时TiB₂具有较大的热膨胀系数，会与B₄C基体产生热膨胀系数失配，在晶界处产生残余应力，诱导裂纹偏转，从而改善断裂韧性。

关键词：B₄C-TiB₂复相陶瓷；热压烧结；固相烧结法；热膨胀系数；断裂韧性

Abstract

B₄C and TiB₂ have similar properties, and both of them have higher hardness and lower density. In this experiment, B₄C-TiB₂ composite ceramics are prepared by hot pressing sintering with TiB₂ as the second phase, in order to improve the low fracture toughness of boron carbide and the mechanical properties, electrical conductivity and sintering properties of the composite ceramics. By introducing different content of TiB₂, B₄C-TiB₂ binary multiphase structure with different volume fraction was prepared, and the mechanical properties and microstructure of the composite ceramics were characterized. The best amount of TiB₂ was determined, and the strengthening and toughening mechanism of TiB₂ as additive was analyzed.

The results show that: in this experiment, B₄C-TiB₂ composite ceramics were prepared by solid-phase sintering method. The designed TiB₂ content of B₄C and TiB₂ powders was 10, 20, 30 and 40 vol%, respectively. B₄C-TiB₂ binary composite ceramics with different TiB₂ content were prepared. The mechanical properties (relative density, hardness, bending strength and fracture toughness) and electrical conductivity (conductivity) were observed and analyzed, Finally, the optimal amount of TiB₂ is 30 vol%. The stress distribution inside the material will affect the strength of the composite ceramic material to a great extent. When the material is affected by the external force, its fracture is easy to start from the place where the tensile stress occurs. If there is compressive stress in the material, the tensile stress acting on the material will preferentially offset the compressive stress in the material, and then the remaining effective tensile stress will damage the material. When the content of TiB₂ is lower than 30 vol%, the compressive stress of B₄C plays an important role in improving the strength of B₄C-TiB₂ binary composite ceramics; when the content of TiB₂ is higher than 30 vol%, the tensile stress of TiB₂ plays an important role in reducing the strength of B₄C-TiB₂ binary composite ceramics.

The characteristics of this paper are as follows: the solid-phase sintering method is used to prepare boron carbide, without the dissolution between the tissues, new components and new phases; TiB₂ particles are selected as additives, because TiB₂ density is moderate, it will not have a great impact on the low density of B₄C, and TiB₂ has a large coefficient of thermal expansion, it will produce thermal expansion coefficient mismatch with B₄C matrix, and generate residual stress at the grain boundary, Crack deflection is induced to improve fracture toughness.

Key Words：B₄C-TiB₂ multiphase ceramics; solid phase sintering; coefficient of thermal expansion; fracture toughnes

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 碳化硼陶瓷 1

1.2.1 碳化硼陶瓷的结构 1

1.2.2 碳化硼陶瓷的性能 3

1.2.3 碳化硼陶瓷的应用 4

1.3 碳化硼粉体的合成与制备 4

1.4 B₄C-TiB₂复相陶瓷概述 5

1.4.1 B₄C-TiB₂复相陶瓷的提出 5

1.4.2 B₄C-TiB₂复相陶瓷的特点 5

1.4.3 B₄C-TiB₂复相陶瓷的应用前景 5

1.5 本课题的研究目的、内容及意义 6

1.5.1 本课题的目的及研究内容 6

1.5.2 选题对社会、健康、安全、成本及环境等的影响 6

第二章 TiB₂对B₄C-TiB₂复相陶瓷结构和性能的影响 7

2.1 引言 7

2.2 实验设计 7

2.2.1 实验原料 7

2.2.2 实验设备 8

2.2.3 测试仪器及测试方法 9

2.2.4 实验内容及方法 11

2.3 烧结温度对B₄C-TiB₂复相陶瓷的影响 12

2.4 TiB₂含量对B₄C-TiB₂复相陶瓷力学性能的影响 13

2.4.1 TiB₂含量对B₄C-TiB₂复相陶瓷相对密度和硬度的影响 13

2.4.2 TiB₂含量对B₄C-TiB₂复相陶瓷抗弯强度和断裂韧性的影响 14

2.4.3 TiB₂含量对B₄C-TiB₂复相陶瓷导电性能的影响 15

2.5 B₄C-TiB₂的微观结构 16

2.5.1 B₄C-TiB₂复相陶瓷的断面SEM测试 16

2.5.2 30vol%含量的TiB₂的B₄C-TiB₂复相陶瓷的断裂表面的SEM图 17

2.6 TiB₂含量对B₄C-TiB₂复相陶瓷性能的影响 18

2.7 TiB₂作为添加剂的强韧化机理 18

第三章 结论 20

参考文献 21

致谢 23

第一章 绪论

1.1 引言

材料的种类丰富，发展迅速，是人类生活必不可少和赖以生存的物质基础。时代的变革常常以材料作为标志，材料的发展也会带动社会的进步。材料广义上指的是可为人类社会接受而又能经济地制造有用器件的物质，材料的高速发展是人类文明、社会发展、科学进步的物质依据和技术保障。

传统陶瓷是使用普通硅酸盐原料及部分化工原料，按照一定的工艺方法，加工、成型、烧成而得的能满足人们日常生活需要或具有一定艺术欣赏价值主要起装饰作用的陶瓷制品。先进陶瓷是采用高度精选或人工合成的原料，通过结构设计、精确的化学计量、合适的成型方法和烧成制度而达到特定的性能，经过加工处理使之符合使用要求尺寸精度的一种无机非金属材料^[1]。在古代，陶瓷不仅仅可以用在日常生活中，还可以作为装饰品来美化室内环境。

随着时代的发展和社会的进步，国家工业对材料的要求越来越严格，越来越特殊。传统的合金材料和高分子材料等已经无法满足电子通信、自动化、航空航天等领域的需求，性能更加优异的先进陶瓷材料应运而生。为了满足更加特殊的使用条件和应用到更加广泛的领域，新的陶瓷材料需要在传统陶瓷材料的基础上，拥有更加优异的结构和性能。因此，先进陶瓷材料不仅具有高强度、高硬度、高导电性、耐磨损、耐腐蚀等特性，而且其特定的结构也决定先进陶瓷材料在电学、热学、力学等领域具有特殊功能。先进结构陶瓷具有高强度，高韧性，化学稳定良好等优点，有很好的发展前景。

• 1. 碳化硼陶瓷

1.2.1 碳化硼陶瓷的结构

B₄C，即碳化硼（Boron carbide），是一种灰黑色微粉。碳化硼作为一种化合物最早于1858年在制备金属硼化物的过程中被发现，然后Joly和Moissan分别于1883年和1894年成功制备并标记了B₃C和B₆C的化合物^[15]。碳化硼晶体结构的示意图如图1.1所示，由图可以看出：碳化硼晶体结构为菱形六面体。由12个原子构成的二十面体处在晶胞结构单元的各个顶点位置，再由3个原子构成直线链位于菱形晶胞结构单元最长的对角线上，八个规则的二十面体分布在八个顶角上，二十面体以共价键和三原子链连接在一起，其特定的晶体结构使其结构非常稳定^[2]。