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高温硼化物陶瓷纤维
发布日期:2020/7/15

高温硼化物陶瓷主要有硼化铪 (HfB2)、硼化锆 (ZrB2)、硼化钽(TaB2)、硼化钛(TiB2)和硼化铬(CrB2),最 近也有研究人员对硼化铟(YB4)陶瓷进行了研究。硼化物陶瓷的共同点是由较强的共价键构成,具有高熔点、高硬度、高强度、低蒸发率、低热导率和低电导率等特点。单相硼化物陶瓷材料虽然具有较好的耐高温性能,但其难以实现致密化、常温表现为脆性(Kic 一般小于 4)以及抗热冲击性差和抗氧化性差等弱点阻碍了这类材 料的广泛应用。

经过多年研究,这类材料的实用化程度虽然在不断提高,但与碳化物基硬质合金相比,其强度及断裂韧性值较低,用作结构材料还存在很多问题。为解决单相硼化物陶瓷材料存在的问题,人们做了大量更为细致、 系统的研究工作。研究发现,在 ZrB2、 TiB2等硼化物基体中引入其它相,如,SiC、AlN、ZrC、 B4C、 Al2O3等,组成硼化物陶瓷基复合材料,能够在保持材料硬度及高温特性的前提下, 有效地提高 ZrB2、 TiB2 等硼化物陶瓷材料的强度和韧性,并可弥补硼化物陶瓷高温抗氧化 性差、强度衰减快等缺点。 ZrB2、 TiB2 等硼化物具有熔点高、难以烧结致密的特 点, 如高纯 ZrB2 粉体的烧结需要2300℃以上的高温。

因 此,如何提高硼化物陶瓷的致密度成为国内外学者的研究重点,并对硼化物基陶瓷材料的烧结致密化工艺进行了大量研究。目前, 无压烧结和热压烧结法是在 ZrB2 材料制备中普遍采用的烧结技术。无压烧结工艺简单,无需特殊设备,成本低,但烧结制品致密度低。热压烧结可以将难以在常压下烧结的粉末在低于常压烧结数百摄氏度的条件下进行烧结,同时抑制颗粒的异常长大,减小孔隙率,提高材料的强度,另外,还可以在短时间内达到致密化,制备接近理论密度的烧结体。许多研 究者先后用热压烧结法制备出了 ZrB2- 刚玉莫来石、 ZrB2- ZrO2、 ZrB2- TiB2、 ZrB2- MoSi2、 ZrB2- 石墨等复合材料。 原位反应热压法、高温自蔓延烧结、放电等离子烧结等技术是最近几年兴起的制备硼化物陶瓷基复合材 料的新技术。Zhang 等[14]将 Zr、 Si、 B4C 混合,采用原位热 压法制备了 SiC- ZrB2 复合材料。该材料的弯曲强度可达 到 580 MPa,同时,他们还利用此方法分别制备出 ZrB2- ZrC、ZrB2- ZrN、ZrB2- AlN 等复合材料。由于该方法 中陶瓷材料的原料是在制备中原位合成的,因而避免了 外界杂质元素的污染。

另外,在 1560℃的温度下,反应烧结 2 h,得到了体积 密度为 2.92 g/cm3 的 B4C/SiC复合陶瓷。以钛粉和硼粉为原料,采用高温自蔓延烧结制备 TiB2 粉末,粒度达到 1 ~ 5μm。该方法制备过程简单、 反应迅速、 反应温度高、成本低,但存在反应难以控制、产品孔隙率高、材料尺寸和形貌难以控制等不利因素,所以用此方法制备硼化物陶瓷材料有待进一步改进。放电等离子烧结是近年来蓬勃发展的一种快速、高温、均质、高致密度的材料制备新技术,其基本原理是在电能作用下,通过粉末颗粒之间的瞬间放电产生高温进行材料烧结,与传统的烧结方法(真空气氛烧结、热压烧结、热等静压烧结等)相比,可显著缩短烧结时间、降低烧结能耗,而且所制备材料的晶粒细小、性能优异。

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