Preparation of Machinable B4C/BN Composites and Their Oxidation Resistances at High Temperature

采用热压烧结工艺制备单相 B4C 陶瓷、B4C/BN 微米复相陶瓷和 B4C/BN 纳米复相陶瓷。研究了其在 1 000～1 300 ℃的等温氧化性能,通过对氧化后试样表面的物相组成和显微结构的分析,探讨了氧化机理。结果表明：单相 B4C 陶瓷、B4C/BN 微米复相陶瓷和 B4C/BN 纳米复相陶瓷的高温抗氧化性能随氧化温度提高和氧化时间增加而逐渐降低,试样氧化过程中质量损失逐渐明显。对试样在不同氧化温度下得到的氧化曲线进行了线性拟合分析,试样在 1 000 ℃时抗氧化性能较好,但在 1 300 ℃时抗氧化性能较差。氧化后试样表面的物相组成主要为 B4C 相、h-BN 相,以及少量的B2O3 相和 Al4B2O9 或 Al18B4O33 相。氧化后试样表面存在一层厚度约为 100 μm 的氧化层,氧化层中存在许多微孔和少量玻璃相物质。氧化生成的 B2O3挥发是导致试样质量随着氧化温度和氧化时间增加而显著减少的主要原因。     

可加工BN/B_4C复相陶瓷的制备与其抗热震性能

采用热压烧结工艺制备了BN/B4C微米复相陶瓷和BN/B4C纳米复相陶瓷。由淬水法测试了单相B4C陶瓷,BN/B4C微米复相陶瓷和BN/B4C纳米复相陶瓷的抗热震性能,用三点弯曲法测试了热震后样品的抗弯强度。结果表明:BN/B4C微米复相陶瓷和BN/B4C纳米复相陶瓷的抗热震性能明显高于单相B4C陶瓷的抗热震性能,而且BN/B4C纳米复相陶瓷的抗热震性能明显高于BN/B4C微米复相陶瓷的抗热震性能。BN/B4C微米复相陶瓷和BN/B4C纳米复相陶瓷具有良好的抗热震性能主要是由于具有较高的抗弯强度和较低的弹性模量;同时BN/B4C复相陶瓷中的BN/B4C弱界面和层状结构的h-BN晶粒能够显著提高复相陶瓷的抗热震性能。     

氧化物/BN可加工复相陶瓷的高温氧化行为及表面裂纹修复

研究了2种可加工复相陶瓷Al2O3／BN和Y-ZrO2／BN在不同温度下的氧化行为及其热处理损伤修复。结果表明：高温时Al2O3／BN表面氧化生成致密的硼酸铝(Al18B2O33)氧扩散障碍层,并且与基体形成强结合的梯度抗氧化涂层,阻止了氧气向材料内部的快速扩散,因而具有良好的自愈合抗氧化性。而Y-ZrO2／BN复相陶瓷由于不能形成有效的氧化屏蔽,抗氧化性较差。2种复相陶瓷在900℃热处理后,表面形成的液态B2O3膜使压痕裂纹均得到愈合,压痕强度从热处理前的162MPa(Al2O3／BN)和336MPa(Y-ZrO2／BN)分别增加到热处理后的406MPa和585MPa。但在1100℃热处理2h后,由于过度的氧化会使Y-ZrO2／BN失去裂纹愈合的效果,压痕强度迅速下降。     

AlON-SiAlON复合材料的制备及特性

为提高AlON陶瓷材料的抗氧化性能 ,制备了AlON -SiAl7O2 N7复相材料。在 1 75 0℃、0 .5MPa的N2 气氛中 ,保温 2h烧成不同Al2 O3/AlN/Si3N4配比的原料得到不同AlON/SiAl7O2 N7比的复相材料。因为在烧结SiAl7O2 N7的过程中 ,蒸发-凝聚的同时伴随着SiO气体的挥发 ,因此很难得到致密的AlON -SiAl7O2 N7复相材料。研究了AlON -SiAl7O2 N7复相材料在 1 30 0℃、空气中的抗氧化性能 ,同时作为比较 ,研究了相同条件下单相的AlON材料的抗氧化性能。结果表明 ,AlON -SiAl7O2 N7复相材料显示了较之单相的AlON陶瓷材料更好的抗氧化性能 ,这是因为氧化过程中所形成的含玻璃相的表面氧化层抑制了氧的向内扩散所致。     

Si-B4C复合抗氧化剂对MgAlON材料高温氧化行为的影响

研究了Si-B4C复合抗氧化剂对MgAlON材料高温氧化行为的影响.通过对氧化后试样脱色层的厚度、相组成、氧化产物中尖晶石相的晶格常数及显微结构的研究发现,该复合抗氧化剂能显著改善MgAlON材料的高温抗氧化性能.抗氧化机理在于在相对较低的温度(1100℃以下)下,SiO2和B2O3作用形成低粘度、低挥发性、低氧扩散系数的硼硅酸盐玻璃而有效地封闭气孔和裂纹;在较高温度下,硼硅酸盐玻璃中的SiO2和B2O3又能和MgAlON氧化产物中的α-Al2O3作用,形成由莫来石和Al18B4O33构成的致密氧化物层,有效阻挡外界的氧向试样内部扩散.     

ZrB2-ZrO2陶瓷的抗热震和抗氧化性能

通过沉淀法制备了纳米ZrO2包覆ZrB2颗粒的ZrB2--ZrO2复合粉体,采用放电等离子烧结技术,在30 MPa,1 900℃保温10 min烧结得到ZrB2-ZrO2复相陶瓷.研究了ZrO2含量对复相陶瓷抗热震和抗氧化性能的影响.将ZrB2-ZrO2复相陶瓷在1 000℃保温5 min,然后急冷进行循环热震评价,对其在1 200℃空气环境下进行抗氧化性能的评价.结果表明:随着ZrO2含量的增加,抗热震性能明显提高,抗氧化性能得到明显改善,氧化质量增加迅速下降.材料的氧化过程分为2个阶段:第一阶段形成氧化层,氧化质量增加明显;第二阶段由于氧化层的存在,氧化质量增加速率减缓.ZrB2-ZrO2复相陶瓷的表面氧化层较纯ZrB2陶瓷表面氧化层致密且结合强度大.     

氟化钙对常压烧结Si3N4/BN复相陶瓷结构与性能的影响

以微米级Si3N4和h-BN粉末为原料,CaF2–Al2O3–Y2O3为烧结助剂,采用常压烧结工艺制备了BN体积含量为25%的Si3N4/BN复相陶瓷。研究了CaF2添加量对Si3N4/BN复相陶瓷材料力学性能的影响,并通过X射线衍射和场发射扫描电镜分析了复相陶瓷的物相组成和显微组织。结果表明：随着CaF2添加量增加,制备的Si3N4/BN复相陶瓷材料气孔率逐渐增大,收缩率变小,相对密度减小。添加量为2%（质量分数）时,Si3N4/BN复相陶瓷的室温抗弯强度达145.5MPa。添加适量的CaF2可在Si3N4/BN复相陶瓷材料常压烧结过程中较大程度地破坏h-BN的卡片房式结构,将微米级的h-BN颗粒变成纳米级颗粒。     

抗氧化剂对镁碳耐火砖抗氧化性的影响

碳的氧化是镁碳耐火材料中存在的主要问题。研究了在1300℃和1500℃温度下各种抗氧化剂．如Al、Si、SiC和B4C对镁碳砖抗氧化性的作用。计算了砖中碳的重量损失，并通过XRD、SEM和EDS测定了砖的氧化区域。在两种温度下，发现B4C是最有效的抗氧化剂。在添加B4C的试样中通过特性研究测出存在硼酸镁复合物（Mg3B2O6）。硼酸镁，在1360℃以上呈液态，通过填充开口气孔在表面形成一层保护层，对砖的抗氧化性有积极作用。在两种温度下对添加Al和Si的试样，镁橄榄石（Mg2SiO4）和尖晶石（MgAl2O4）显示出相似的作用。添加SiC的试样和添加Si的试样有相同的相．但SiC在两种温度下抗氧化性最小。     

电路基板用AlN-TiN-BN复相导电陶瓷的制备及性能研究

以微米TiN、AlN以及BN为主要原料,以微米B_4C、纳米Si粉以及微米Y_2O_3为添加剂,在N_2气氛保护下热压烧结制备了AlN-TiN-BN复相导电陶瓷。测试和分析了烧结样品的相对密度、弯曲强度、断裂韧性、硬度值以及导电性能。结果表明,最佳的导电陶瓷配比中微米Ti N添加量(wt%)为40%,微米Al N添加量为30%,微米BN为15%。当烧结温度为1800℃时,样品性能最佳,其相对密度为95.7%,弯曲强度为415.3 MPa,断裂韧性为5.54 MPa·m~(1/2),维氏硬度为HRA 83.1,电阻率值为781.5μΩ·cm。     

无机填料改性有机硅胶黏剂高温黏结性能及机理分析

以有机硅树脂为基体,以金属Al、B4C和气相法制备的SiO2为无机填料制备了耐高温胶黏剂。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪和热重分析分别研究了胶黏剂的相组成、微观结构及热稳定性,通过抗压剪切强度测试陶瓷黏结性能。结果表明:胶黏剂经1 150℃热处理后的质量增加了38%;当用于刚玉陶瓷黏接时,黏接试样200℃固化后的黏接强度为9.00MPa,经1 000℃热处理后提高到45.60MPa。黏接机理分析表明,当温度小于600℃,黏接强度来源于胶黏剂中的有机硅树脂;超过600℃,金属Al粉和B4C氧化并与有机树脂裂解产物发生反应,生成xSiOm Cn·yB2O3、2Al2O3·B2O3和9Al2O3·2B2O3等玻璃/陶瓷相,氧化伴随着体积膨胀可有效抑制有机基体高温裂解导致的体积收缩,并愈合裂解带来的微观缺陷。此外黏接界面发生元素互扩散层,引入化学键的作用,进一步提高了胶黏剂的高温黏接强度。     

纳米BN包覆的Al2O3复合粉的制备及其烧结性能研究

以尿素和硼酸为氮化硼源，利用氢气还原法在亚微米级氧化铝粉末表面均匀包覆一层纳米级BN，包裹层的厚度可通过BN含量来调节。当氮气压力为0.52-0.53MPa时，复合粉经1400℃至1600℃热处理，中间产物Al-O-B分解得到BN，同时BN由t(turbostratic)相转变为h(hexagonal)相。1500℃处理可得到包裹紧密的h-BN-Al2O3纳米复合粉。以氮经硅为烧结助剂，30％BN－Al2O3(in volume)复合粉在1700热压烧结即可得到几乎完全致密化的纳米复相陶瓷，表观气孔率接近于零。材料的抗弯强度为446MPa，可用硬质合金钻头轻易钻孔。     

原位合成TiB2-SiC基复相陶瓷及其高温摩擦学性能的研究

本研究以SiC为基体，用TiC和B4C为原料，采用新的反应原理生成TiB2，原位合成了TiB2-SiC基复相陶瓷，提高了SiC陶瓷的物理性能和高温摩擦学性能：随着材料中TiB2物相重量百分比的增加，材料的高温摩擦学性能提高。在以下摩擦环境参数下TiB2（wt25％）SiC基复相陶瓷自对偶在空气中高温摩擦磨损性能较好，呈现良好的高温自润滑性能：在升温状态下、空气中、环境温度为200℃-1000℃、外加载荷为0．2MPa、摩擦速度为0．3m／s，温度和外加载荷对TiB2-SiC基复相陶瓷自对偶比磨损率的影响具有依存性。高温摩擦氧化是TiB2-SiC基复相陶瓷自对偶高温磨损主要机理，磨损试样磨损断面包含摩擦氧化层、过渡层和基体亚表面三层。氧化层和过渡层接触紧密；磨屑具有典型包裹结构。     

Al2O3-SiC复相粉对Al2O3-SiC-C材料性能的影响

以电熔白刚玉(3～1、≤1、≤0.044 mm)、Al2O3-SiC复相粉(d50≤5μm)、α-Al2O3微粉(d50=1.2μm)、SiC粉(≤0.044 mm)、鳞片石墨(≤0.088 mm)、Si粉(d50=42.8μm)和B4C(d50≤10μm)为主要原料,热固酚醛树脂为结合剂,研究了分别用4%、8%、12%、16%质量分数的Al2O3-SiC复相粉等比例取代α-Al2O3微粉和SiC细粉对Al2O3-SiC-C试样在180℃固化后和1 000、1 500℃埋焦炭热处理后的显气孔率、体积密度、常温抗折强度、常温耐压强度、高温抗折强度(1 400℃)、抗热震性(1 100℃,水冷)以及抗氧化性(1 000、1 500℃)的影响。结果表明:随Al2O3-SiC复相粉加入量的增加,试样经180℃固化后常温性能下降,1 000℃热处理后常温性能变化不大,1 500℃热处理后除耐压强度显著提高外,其余各项常温性能变化不大;而高温抗折强度下降,抗热震性明显提高,试样经1 500℃氧化后的抗氧化性以加入4%质量分数复相粉的最佳。其原因可能是由于该复相粉的粒度更细,反应活性更高,其氧化层中更易生成莫来石,形成表面致密层从而有效地阻碍氧气向材料内部扩散。     

纳米碳颗粒/碳化硅陶瓷基复合材料的氧化行为

以微米硅(Si)和纳米碳黑(Cp)粉体为主要原料,采用经机械化学法合成的碳化硅(SiC)和15%和25%的纳米碳颗粒与碳化硅(Cp-SiC)的复合粉体,并经无压烧结得到了Cp/SiC陶瓷基复合材料,分析了在不同温度条件下Cp/SiC烧结体的氧化行为。结果表明:当温度小于700℃时,Cp/SiC复合陶瓷在空气中的氧化受C—O2反应控制,致使其为均匀氧化;700℃时,氧化后的复合材料显气孔率最大,弯曲强度达极小值;大于700℃,氧化过程受O2的气相扩散控制,呈非均匀氧化;700~900℃之间,O2通过微裂纹的扩散控制着Cp/SiC的氧化过程;900~1 100℃之间,O2通过SiC缺陷的扩散控制着Cp/SiC的氧化过程,并在1 000℃时的最初的2 h内,复合材料弯曲强度增大,且达到了极大值。同时表明,纳米碳含量是影响复合材料强度及氧化行为的关键因素,添加纳米碳质量分数为15%的Cp/SiC复合陶瓷可以作为一种抗氧化性能优良的玻璃夹具材料。     

金属共掺杂对树脂炭结构及抗氧化性能的影响

以热固性酚醛树脂和金属铝粉为原料、纳米镍为催化剂,采用机械搅拌法制备了金属铝和纳米镍共掺杂酚醛树脂,研究了金属铝和纳米镍共掺杂对树脂炭结构及其抗氧化性能的影响。结果表明:在埋炭气氛下,树脂材料内部CO分压较高而无氮化物存在,体系属于Al-C-O系统;随着温度的升高,氧分压增大,Al2O3(s)相的稳定区间增大。900℃炭化后体系中生成纳米碳管和Al3C4晶须,1 000℃处理后有Al3C4晶须和Al2O3颗粒同时存在。当温度升高到1 200℃时,Al3C4相消失,Al2O3晶须生成量增加。随着热处理温度升高,纳米碳管的直径从60 nm增大到100 nm。添加金属铝粉和纳米镍后,掺杂改性树脂炭化后炭产物的氧化峰值为664.6℃,相比单一掺杂,氧化峰值温度提高了约122℃,增幅达到22%。     

Al2TiO5／ZrO2纳米复相陶瓷的制备及性能研究

以氧氯化锆((ZrOCl2·8H2O)、硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O)、硫酸氧钛(TiOSO4·2H2O)为初始原料,以氨水为沉淀剂,将液相共沉淀法得到的Al2TiO5/ZrO2纳米复合粉体前驱体,经1000℃焙烧2h,制备了ZrO2含量(w)为2%、5%、8%的Al2TiO5/ZrO2纳米复合粉体;复合粉体经造粒后以100Mpa压力成型试样,试样尺寸为53mm×10mm×10mm,经1350、1400、1450、1500℃2h制备了Al2TiO5/ZrO2(缩写AT/Z)纳米复相陶瓷试样。研究了ZrO2含量、烧结温度对试样的烧结性能、热膨胀性能、抗热震性能的影响,并借助XRD、SEM分析了试样的物相组成、显微结构。结果表明:随着ZrO2含量的增加和烧结温度的提高,试样的显气孔率减小,抗弯强度增大。烧结温度为1500℃、ZrO2含量(w)为5%的ATZ-54试样,抗弯强度最大,为103.2MPa;在1250℃的热膨胀率仅为0.08%,其热膨胀系数α约为0.65×10-6℃-1;AT/Z纳米复相陶瓷试样具有细晶镶嵌结构;从室温到1100℃急冷急热冲击31次后,试样表面仍保持完整,抗热震性能明显高于其他...     

纳米TiO2添加剂对Al2O3陶瓷微观结构与烧结性能的影响

用微米级和纳米级两种不同的TiO2作为烧结助剂,研究其对Al2O3陶瓷微观结构和烧结性能的影响.结果表明:纳米TiO2能更好的提高Al2O3陶瓷的烧结活性,降低烧结温度.当TiO2含量为2%时,在1 580℃烧结试样的显气孔率为0.54%;在1 650℃烧结试样的显气孔率为0.16%.纳米TiO2的加入改变了Al2O3陶瓷的微观结构,更有利于Al2O3陶瓷的烧结.     

Sialon结合SiC复相材料的高温氧化行为

利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、压汞仪和热重分析仪等方法,在1100～1500℃范围内研究了Sialon结合SiC复相材料的高温抗氧化行为.结果表明:(1)随氧化温度升高,由于氧化致密层的形成,试样氧化增重速率降低,在1500℃氧化试样由于气泡破裂严重,氧化面积增大使氧化增重率有所提高;(2)随氧化温度升高出现氧化钝化现象,使得Sialon结合SiC复相材料表现出很好的高温抗氧化性能;(3)高温氧化使得Sialon结合SiC复相材料常温抗压强度比氧化前提高;随氧化温度升高,氧化膜表面形成较多气泡和开口空洞,使耐压强度呈下降趋势.     

水热温度对SiC–C/C复合材料表面水热电泳沉积SiCn–MoSi2复合抗氧化涂层的影响

采用水热电泳沉积法在SiC–C/C复合材料表面制备了纳米碳化硅和二硅化钼的复相(SiCn–MoSi2)抗氧化涂层。采用X射线衍射和扫描电子显微镜等对制备涂层的晶相组成、表面及断面微观结构进行了表征。研究了水热温度对制备涂层的结构及高温抗氧化性能的影响,分析了涂层在1 600℃静态氧化行为及失效机理。结果表明:外涂层主要由MoSi2和β-SiC晶相组成。复相外涂层的致密程度、厚度及抗氧化性能随着水热温度的升高而提高。SiCn–MoSi2/SiC复合涂层具有较好的抗氧化和抗热震能力,在1 600℃氧化80 h后氧化质量损失为3.6×10–3 g/cm2。复合涂层在1 600℃的氧化失效主要是由于经过长时间氧化后SiO2玻璃膜层不能及时有效填补涂层中的缺陷,涂层中出现贯穿性的裂纹和孔洞导致的。     

水热温度对SiC-C/C复合材料表面水热电泳沉积SiCn-MoSi2复合抗氧化涂层的影响

采用水热电泳沉积法在SiC–C/C复合材料表面制备了纳米碳化硅和二硅化钼的复相(SiCn–MoSi2)抗氧化涂层。采用X射线衍射和扫描电子显微镜等对制备涂层的晶相组成、表面及断面微观结构进行了表征。研究了水热温度对制备涂层的结构及高温抗氧化性能的影响,分析了涂层在1 600℃静态氧化行为及失效机理。结果表明:外涂层主要由MoSi2和β-SiC晶相组成。复相外涂层的致密程度、厚度及抗氧化性能随着水热温度的升高而提高。SiCn–MoSi2/SiC复合涂层具有较好的抗氧化和抗热震能力,在1 600℃氧化80 h后氧化质量损失为3.6×10–3 g/cm2。复合涂层在1 600℃的氧化失效主要是由于经过长时间氧化后SiO2玻璃膜层不能及时有效填补涂层中的缺陷,涂层中出现贯穿性的裂纹和孔洞导致的。