液相烧结制备B4C-CrB2陶瓷的力学和电学性能外文翻译资料

 2022-02-06 18:50:36

英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

液相烧结制备B4C-CrB2陶瓷的力学和电学性能

Suzuya Yamada a,* , Kiyoshi Hiraob , Yukihiko Yamauchib , Shuzo Kanzakib

aSynergy Ceramics Laboratory, Fine Ceramics Research Association, Nagoya, Aichi 463-8687, Japan

bSynergy Materials Research Center, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Nagoya, Aichi 463-8687, Japan

摘要：

CrB2添加量高达25 mol％的B4C基陶瓷复合材料在2050 oC下施加5 MPa的低载荷热压合成。由于CrB2-B4C低共熔液的形成，CrB2的加入促进了B4C的致密化。B4C-22.5 mol％CrB2样品拥有684 MPa的高强度和3.2 MPa m1/2的适度断裂韧性。此外，CrB2含量超过15 mol％的样品电导率显著提高，这归因于导电CrB2相三维网络的形成。

关键词：力学性能 电学性能 碳化物 复合陶瓷

1.介绍

碳化硼（B4C）具有优异的工程材料性能，例如极高的硬度，高弹性模量，高熔点，良好的化学稳定性和高中子吸收截面。此外，B4C陶瓷还具有优良的耐腐蚀性和耐磨性[1-5]。它们被用于核能和高温热电转换以及腐蚀磨损应用，比如喷嘴。然而，低的强度和断裂韧性以及差的烧结性和可加工性限制了它们的应用范围。不含添加剂且完全致密的B4C陶瓷通常在2100 oC以上施加超过30 MPa的载荷热压合成[13]，而这样做比较昂贵。人们发现碳是B4C的有效烧结添加剂[6-10]。添加碳后，相对密度为96.4％的B4C陶瓷在2150oC下通过无压烧结合成[10]。通过对材料后处理热等静压可实现完全致密。后处理热等静压合成的样品弯曲强度为579 MPa，断裂韧性为2.4 MPa m1/2。铝和含铝化合物如AlF3和Al2O3也被发现对B4C的致密化有效[11,12]。添加少量的Al2O3即可显着提高烧结性，在2000oC下将含2.5 vol.％Al2O3的B4C粉末热压合成的B4C陶瓷弯曲强度为550 MPa[12]。其他添加剂如SiC，TiC，WC和BN的效果也有被研究，但成效有限[13-16]。

上述提到的研究，其目的主要是为了促进致密化和提高B4C陶瓷的强度。相反，B4C-TiB2复合材料经研究发现其强度和韧性同时得到了提高[17,18]。添加TiB2后断裂韧性的提高，是因为TiB2分散颗粒和B4C基体的的热膨胀不匹配引起了微裂纹的形成[17-19]。在2000 oC下，通过将添加了TiO2和C的B4C粉末反应热压， Skorokhod和Krstic合成出了弯曲强度为621 MPa，断裂韧性为6.1 MPa m1/2的B4C-TiB2复合材料[18]。我们已经报道了在1900 oC下，施加50 MPa的载荷热压B4C和CrB2的粉末混合物合成的B4C-20 mol％CrB2复合材料，具有630 MPa的高强度和3.5 MPa m1/2的适度断裂韧性。

液相烧结有望成为合成具有改良力学性能的致密B4C陶瓷的替代方法，类似于具有高共价性的非氧化物陶瓷的致密化，例如碳化硅和氮化硅[24,25]。据报道，由于富铁液相的形成，少量Fe的加入增强了B4C-TiB2复合材料的致密性[17,20]。通过加入0.5 mass％Fe在1800 oC下进行热压，Tuffe等人合成了B4C-50 mass％TiB2复合材料，其弯曲强度为620 MPa，断裂韧性为5.7 MPa m1/2 [17]。然而，对B4C基陶瓷液相烧结的研究却非常有限。

在我们以前的工作中[24,25]，B4C-CrB2复合材料在热压过程中没有液相形成，因为1900 oC的烧结温度低于CrB2-B4C体系的共晶温度[26]。在较高的烧结温度下，预期通过形成CrB2-B4C低共熔液相从而实现液相烧结。另外，由于CrB2具有高电导率，因此预测复合材料的电导率可以增加到能放电加工的程度。在本研究中，B4C-CrB2复合材料通过施加低载荷的液相烧结而合成，并且检测了其力学和电学性能并与单一B4C进行了比较。

2.实验步骤

图1展示了初始粉末的SEM图片。B4C初始粉末（Grade 3000F，Elektroschmelzwerk Kempten GmbH，Munich，Germany）的平均粒径为0.43 mu;m，比表面积为15.3 m2/g。粉末含有杂质氧（2.0 mass％），Fe（140 ppm）和Al（50 ppm）。使用行星式球磨机，将B4C粉末与平均粒径为3.5 mu;m的CrB2粉末（Japan New Metals Co. ,Osaka，Japan）放入SiC罐并加入SiC球在甲醇中混合30分钟。CrB2的量在5至25 mol％之间。将浆料在旋转真空蒸发器中干燥1小时，然后在115 oC下烘箱干燥24小时。将粉末混合物过60目筛。在矩形石墨模具（47times;42 mm）中使用碳电阻炉在2050 oC下，Ar气氛中施加5 MPa的低载荷热压1小时。使用光学高温计监测温度，该光学高温计预先使用热电偶校准。以40 oC/min的加热速率从室温升温到1200 oC，20 oC/min升温到1500℃和10 oC/min升温到2050 oC。为了便于比较，不含CrB2的B4C样品也通过相同的步骤合成。

为了测量力学性能，从热压样品上切下试样并用400目金刚石砂轮研磨至尺寸为42times;4times;3 mm。弯曲强度通过四点弯曲试验测量，内部和外部跨度分别为10和30 mm。断裂韧性KIC通过SEPB法测量 [21]。试样的密度通过阿基米德法确定。使用X射线衍射（XRD：RINT 2500，Rigaku Co，Tokyo，Japan）通过CuKalpha;辐射进行物相鉴定。为了观察微观结构，用1 mu;m金刚石浆料抛光试样。一些样品用Murakami试剂（10 gNaOH和10 gK3Fe(CN)6在110 ℃下溶于100 mlH2O中）进行蚀刻。使用扫描电子显微镜（SEM：JSM5600，Jeol Ltd.，Tokyo，Japan）进行微观结构分析。使用图像分析（Scion Image，Scion Co.，Maryland，USA）测量B4C的平均粒度。采用超声脉冲法测量弹性模量。采用四探针法测量电导率。

图1. 初始粉末的SEM图片：(a) B4C粉末和(b) CrB2粉末

3.结果和讨论

表1总结了初始组分和基于每种化合物密度计算的理论密度。图2展示了在2050 oC热压合成的样品的相对密度随CrB2含量的变化。单一B4C样品的相对密度低至79.3 ％。CrB2的添加改善了烧结性。随着CrB2含量的增加，B4C-CrB2样品的相对密度增加。添加超过10 mol％的CrB2，可获得超过95％的高相对密度。特别地，含22.5 mol％CrB2的样品可以实现98.0％的最高值。

表1

初始组分和理论密度

图2. 相对密度随CrB2含量的变化

图3显示了B4C-5 mol％CrB2和B4C-20 mol％CrB2样品的X射线衍射图谱。除了35.7 oC处的小峰之外，仅识别出B4C和CrB2相，35.7 oC处的小峰对应于来自SiC（102）晶面的衍射。SiC杂质来源于混合过程中的SiC罐和球。 因此，B4C-CrB2复合材料试样由B4C和CrB2相组成，具有痕量的SiC。

图3. B4C-CrB2 样品的X射线衍射图谱。

图4展示了具有5,10,20和22.5 mol％CrB2的B4C复合材料样品抛光表面的微观结构。CrB2相在较暗的B4C相中表现为高对比度区域。可以看出，孔隙的大小和数量随着CrB2含量的增加而减少。B4C-CrB2样品中CrB2相的形态和尺寸与CrB2初始粉末的形态和尺寸完全不同（图1b），似乎CrB2弥散在细小的B4C晶粒中。因此，尽管B4C-CrB2体系的共晶温度为2150 oC，但在2050 oC烧结期间B4C-CrB2体系中显然有液相形成[26]。原料粉末中的杂质或B4C的化学计量偏差降低了体系的共晶温度。为了阐明复合材料中B4C相的晶粒形态，进行了化学蚀刻。图5显示了B4C-20 mol％CrB2样品的抛光和化学蚀刻表面。在蚀刻期间通过溶解CrB2形成大孔。该复合材料样品由细小的等轴晶粒组成，平均直径为1.75 mu;m。与初始粉末相比，复合材料样品中B4C的晶粒尺寸没有显着变化（图1a）。因此，致密化主要归因于CrB2-B4C共晶液相导致的B4C颗粒重排。似乎液相增强了致密度，因此，样品的相对密度随着CrB2含量的增加而增加。

图4. B4C-CrB2 样品的微观结构：(a) B4C-5 mol％CrB2 (b) B4C-10 mol％CrB2 (c) B4C-20 mol％CrB2 和(d) B4C-22.5 mol％CrB2

图5. B4C-20 mol％CrB2样品的微观结构

图6展示了样品的弯曲强度和断裂韧性随CrB2含量的变化。由于不充分的致密化，CrB<sub

全文共9237字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</sub

资料编号：[6]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章