碳化物陶瓷致密化的研究学 生李淼指导教师穆柏春（材料与化学工程学院，锦州121001）摘要：本文采用真空热压烧结的工艺，以氧化铝和活性炭作为烧结助剂，制备了碳化硼陶瓷材料同 时探讨氧化铝和活性炭的配比、烧结温度、热压压力和保温时间对烧结体致密度、力学性能的影响结果表 明，以氧化铝和活性炭为烧结助剂，烧结过程中热压压力越大、致密度越高、抗弯強度也越大；碳化硼烧结 的最佳条件：烧结温度1933C,压力20MPa,保温时间lh,添加剂配比ALOj：C= 1: 1,相对密度90.33%, 抗弯强度144. 21MPa采用最佳的成分配比和烧结工艺可以实现碳化硼陶瓷的低温烧结关键词：碳化硼；真空热压烧结；力学性能；烧结助剂引言碳化物陶瓷由于具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀和高温强度好等优异性能而备受关注，它 在航空、航天、电子、汽车、机械、化工“⑵、和核工业3"众多领域获得广泛应用其中，碳 化硼陶瓷由于其特性已成为重要的碳化物陶瓷但是，由于碳化物陶瓷是共价键很强的化合 物，烧结时扩散速率很低，因而廿前碳化物陶瓷制备存在的最主要的问题是其烧结温度较高, 烧结困难，难以实现致密化；其次是制造成本窩，制品性能的可靠性和重现性也较差。
因此, 在碳化物陶瓷的制备上致密化的问题显得尤为重要2材料与方法本文采川碳化硼粉、氧化铝粉、活性炭等为主要原料将碳化硼粉、氧化铝粉、活性炭 按表2.1配比称重后，以无水乙醉为分散介质，以刚玉球为擁球，装在球携机中进行混料， 其中，料：球:酒精= 1:3: 1球磨后的浆料晾干，Z后用压力机干压成型素坯的尺寸约为58mm X20ninio将素坯置于涂有BN的石墨模具中，-•并装入真空热压炉内烧结试样经加工后分别 测试性能实验中以碳化硼为基体，选择不同配比的氧化铝与活性炭粉为烧结助剂，其试验 配方如表2.1所示烧结温度设为1900C、热压压力为20MPa＞保温时间为lh表2.1材料配方试样号B.；C/wt%AbOs/wt%C/wt%理论密度/g • cm3A3C17022.57. 52. 821A2C17020102. 777A1C17015152.6883结果与分析3. 1 ALO3和C的配比对碳化硼烧结体致密度的影响衣3.1是A1A/C配比対碳化硼陶瓷烧结体的尺寸收缩率、气孔率、和对密度的影响 表3. 1 AL0.7C配比与试样性能的关系烧结助剂的配比123尺寸收缩率（％）63.760.757.5气孔率（％）7. 16& 710.7相对密度（％）85.4383.4182.58如表3.1所示，随＜ ALOb/C配比的增大，试样的尺寸收缩率利相对密度逐渐减小，气孔 率逐渐增加（本次实验所测的是开口气孔率）。
其中，尺寸收缩率是表征陶瓷烧结的一个较亜 要的方而，因为一般情况下，尺寸收缩率越大，试样的致密度越大陶瓷烧结是一个复杂的 过程，在烧结过程中总伴有物质的挥发，所以尺寸收缩率是研究陶瓷致密化的一个方而图3.］是A12O3/C配比与抗弯强度的关系曲线由图3. 1可知,随着ALOs/C配比的增大, 试样的抗弯强度逐渐减小，试样A1C1的抗弯强度最大，达96. 24MPao由上述可知，当A120s：C =1:1的时候，试样致密度达到最大值，同时试样的抗弯强度也 达到最大值这是因为，在添加剂总量一定的情况下，ALO/C配比为1:1时牛成最大比例的 液相，大量的液相促进碳化硼陶瓷的致密化图3.1 AbOVC配比与抗弯强度的关系曲线3.2烧结温度对碳化硼烧结体致密度的影响本节实验选择Al203：C =1:1的试样A1C1为研究对象,热压压力为20MPa,保温时间为 lh,烧结温度设为 1850C、1900C、1933Co表3. 2是烧结温度与尺寸收缩率、气孔率、相对密度、抗弯强度的关系表3. 2烧结温度与试样性能的关系试样号123烧结温度（C）185019001933尺寸收缩率（％）56.3163.767.87气孔率（％）26.277. 161.49相对密度（％）67.9385.4390.33抗弯强度（MPa）61.2396. 24144. 21如表3.2所示，随着试样烧结温度的增加，试样的尺寸收缩率、相对密度和抗弯强度都 呈上升趋势，而试样的气孔率逐渐减小。
碳化硼陶瓷的烧结温度在1933C时，烧结体的致密 度达到最大值,其相对密度为90.33%,抗弯强度达到最大值144. 21MPa,说明烧结温度为 1933C时是碳化硼陶瓷的故佳烧结温度所以烧结温度相对于文献［5］大约降低了 170C这 是由于温度的升高导致氧化铝颗粒、活性炭和部分碳化硼反应加速，形成大量的液相，而液 相的形成促使材料原子的扩散速率增加，促进碳化硼陶瓷快速烧结实验过程中所选择的温 度使试样烧结时出现液相，使用高于液相形成的温度可以提高材料原子的扩散速度、润湿性 和固相在液相中的溶解度，降低液相的黏度和增加液相的数暈，所有的这些因素都有助于提 高致密化的速度但是，温度过高，晶粒容易长大而导致晶粒粗大，对材料的性能不利3.3热压压力对碳化硼烧结体致密度的影响木节实验选择A12O3：C =1:1的试样A1C1为研究对象，烧结温度为1900C,保温时间为 lh,热压压力设为 15MPa、20MPa、25MPa、30MPao表3. 3是热压压力与尺寸收缩率、气孔率利相对密度的关系山表3. 3所示，随着热压压力的加大，试样尺寸收缩率逐渐增加；气孔率则呈现下降趋 势，并很明显，试样4只有2.81%,是本次实验研究中的最小值。
试样的相对密度随热压压力 的增加而逐渐增加，当压力为30MPa吋，相对密度达到最人值这是因为热压造成颗粒重排 和塑性流动、晶界滑移、应变诱导宇晶、蠕变以及后阶段体积扩散与重结晶相结合等的物质 迁移机理，这些物质迁移促进碳化硼陶瓷的烧结表3. 3热压压力与试样性能的关系试样号1234热压压力（MPa）15202530尺寸收缩率（久）62.863.763.961.2气孔率（％）21.897. 165.012.81相对密度（％）69.7985.4386.5289.88图3. 2是热压压力对B.C烧结体抗弯强度的影响山图3. 2所示，随着压力的增加试样的抗弯强度逐渐增加，当压力为30MPa时，出现一 个数值高峰，为M3.47\IPa,也说明试样4在本节实验中的致密度最好，尺寸收缩率、气孔率 和相对密度都是最佳的数值图3. 2热压压力与抗弯强度的关系曲线3. 4保温时间对碳化硼烧结体致密度的影响保温时间对碳化硼陶瓷烧结体尺寸收缩率、气孔率、相对密度和抗弯强度的影响如表3M 所示参看表3.4中的据可知，随着保温时间的延长，试样的尺寸收缩率逐渐增加气孔率 先降低后乂升高，并在保温为lh时最小，为2.18%,为本实验研究中的最小数值。
相对密度 随着保温时间的增加先加大后乂减小，在保温lh时试样的相对密度最人一般情况卞，试样 的尺寸收缩率大，数试样的相对密度就大，但是木次试验在保温时间为2h和2. 5h时却相反, 说明此时试样的烧损很大这是因为，保温时间过长导致生成的液相大量挥发，造成试样的 致密度下降表3.4保温时间与试样性能的关系试样号1234保温时间（h）0122.5气孔率（％）23.087. 168. 1710.33尺寸收缩率（％）5063.765.566.7相对密度（％）65.6385.4383.7880.43为了达到最佳致密化和使显微组织的粗化程度降到最低，在实验中需要将温度和时间结 合起來进行考虑对于非完全致密化材料，延长烧结时间，山于有利于孔隙的逐渐消除，所 以对于制品性能的改善通常是有利的但烧结时间过长会导致孔隙的长人和显微组织的粗化 同时烧结温度捉高时，由丁•材料廉子扩散速率提高和液相数量增加，其烧结时间可以缩短图3. 3是保温时间与抗弯强度的关系曲线图3. 3保温时间与抗弯强度的关系曲线如图3. 3所示，在不同保温时间的这一•纟I［实验中可以看出，当山不保温变为保温lh时， 抗弯性能出现很大的变化,由47. 46MPa变为96. 24MPa,并随着保温时间加长到2h、2. 5h时, 其抗弯强度在95MPa这一数值上下浮动。
也说明在这4个试样中，保温为lh的试样的抗弯性 能最好这是因为，在高温下，氧化铝粉末、活性炭和碳化硼粉末发生反应，生成低熔点相，到 保温吋间为lh吋，氧化铝粉末、活性炭和部分碳化硼粉基木完全反应，生成人量的液相；当 保温时间，继续延长到2h时，生成的液相增加缓慢，然而在高温下液相大量挥发，在基体中 形成气孔，造成碳化硼烧结体的相对密度降低、抗弯强度降低；当保温时间为2. 5h时，由于 外加压力和同温烧结的原因，收缩率增加较人，碳化硼烧结体的相对密度有所提高、抗弯强 度有所增加，但是在这种情况下浪费原料和能源因此本次试验中保温时间为lh是兹佳的保温时间4结论(1) 木实验以氧化铝和活性炭为烧结助剂，采川真空热压烧结工艺，成功制备碳化硼陶 瓷，烧结温度降低约170C2) 最佳材料配方是:BiC 70wt%, , AI2O315 wt %, C 15wt%o(3) 烧结过程中热压压力越大，致密度越高，抗弯强度也越大4) 碳化硼烧结的最佳条件：烧结温度1933C,压力20MPa,保温时间lh,添加剂配比 ALO3：C=1:1；所得碳化硼烧结体性能：相对密度为90.33%,抗弯强度为144.21MPa0主要参考文献［1 ］徐润泽.粉末冶金结构材料［M］.长沙:中南工业大学出版社,1999:27-28I2j樊毅,张金生.B4C在铁铜基摩擦材料中的作用［J］.中南工业大学学报,2001,32(2):141-143 ⑶ 王零森.特种陶瓷［M］.长沙:中南工业大学出版社,1994:26-29|4］王零森，吴芳，尹邦跃•快中子堆用碳化硼材料的成分和性能设计［J］•粉末冶金材料科学与工 程,1999,4(2):105-109⑸ 吴芳•碳化硼陶瓷及其摩擦学研究［D］.长沙:中南大学粉末冶金研究所,2(X)1:211-217The studies on the compactness in carbide ceramicsStudent LI MiaoTutor MU Bai-chun(Dept, of Materials & Chemical Engineering, Jinzhou 121 (X) 1)Abstract: By the vacuum hot-pressed sintered technology in this paper, boron carbide ceramics is prepared with the sintered additive of the oxidize aluminum and active carbon powder. Meanwhile, the influences of AI2O3/C, the sintered temperature, the hot-pressed pressure and the heat preservation time on the density。