TiB2-BN-SiC復(fù)相陶瓷的制備與性能研究.pdf

1、TiB2-BN(TB)復(fù)相陶瓷具有導(dǎo)電性、抗熱沖擊性能、可機械加工性能、耐腐蝕性能等優(yōu)點，在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、導(dǎo)電蒸發(fā)舟和高溫電極材料中得到了廣泛應(yīng)用。但是如何進一步優(yōu)化TB復(fù)合陶瓷的綜合性能是當(dāng)前研發(fā)的重點。本文采用不同粉末特性的TiB2和BN原料，通過熱壓燒結(jié)制備TB復(fù)相陶瓷，研究了原料粉末特性對材料致密化過程、顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響；在此基礎(chǔ)上通過熱壓燒結(jié)制備TiB2-BN-SiC(TBS)復(fù)相陶瓷，研究了物相組成和燒結(jié)工藝對材料顯微結(jié)

2、構(gòu)和性能的影響。
　　 采用熱壓方法制備TB復(fù)相陶瓷，TiB2和BN原料特性對樣品致密化過程、微觀結(jié)構(gòu)和性能有顯著影響。研究表明：
　　 (1)TiB2粉末的粒徑和晶粒形貌對TB復(fù)相陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能有重要影響。TiB2粉末的平均粒徑越小，樣品導(dǎo)電性能越好。在粉末粒徑分布相近時，晶粒表面光滑的TiB2粉末能提高坯體在燒結(jié)中后期的致密化速率，樣品的致密度、力學(xué)性能和熱導(dǎo)率最高；在1850℃燒結(jié)1.5 h后，其所制備的樣品的開

3、氣孔率為11.95％、抗彎強度為95.28 MPa、彈性模量為47.16 GPa、熱導(dǎo)率(637 K)為33.8W/m.K，均優(yōu)于相同工藝條件下短六方柱狀的TiB2粉末所制備的復(fù)相陶瓷的性能。材料的顯微結(jié)構(gòu)分析表明，平均粒徑小的TiB2晶粒在樣品中分布更均勻，有利于導(dǎo)電通路形成，提高導(dǎo)電性能，平均粒徑大的晶粒容易呈現(xiàn)孤島狀；短六方柱狀的TiB2晶粒，容易局部聚集和架空，形成孔隙，致密度低，降低樣品力學(xué)性能和熱學(xué)導(dǎo)率。
　　 (2

4、)BN粉末的比表面積和氧雜質(zhì)含量對TB復(fù)相陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能有重要影響。在氧含量相近時，BN粉末比表面積越大，TB坯體致密化速率越快，致密度和力學(xué)性能越高。材料顯微結(jié)構(gòu)分析表明，高比表面積的片狀BN粉末，燒結(jié)活性高，容易在垂直于加壓方向形成大的片層狀結(jié)構(gòu)；在1850℃燒結(jié)1.5 h后，樣品彎強度、彈性模量和熱導(dǎo)率(637 K)分別為219.71 MPa、105.36 GPa、13.8W/m.K、熱膨脹系數(shù)(298-1373 K)為3.84

5、×10-6/K。
　　 氧含量為4.92wt.％的絮狀BN粉末能顯著提高坯體致密速率，降低燒結(jié)溫度，提高熱導(dǎo)率。在相同工藝條件下，所制備的樣品致密度最高，開氣孔率僅僅為1.16％。材料顯微結(jié)構(gòu)分析表明，BN粉末由絮狀生長成大的片狀結(jié)構(gòu)，均勻分布在TiB2晶粒周圍，氧雜質(zhì)存在于TiB2和BN晶界之間。
　　 通過熱壓方法制備了TBS復(fù)相陶瓷，研究了TiB2、BN和SiC的物相組成和燒結(jié)工藝對材料顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究表

6、明：
　　 (1)隨著BN體積含量的增加，TBS樣品的力學(xué)、導(dǎo)電性能和熱學(xué)性均下降。當(dāng)TiB2與SiC體積比6:1，BN體積分數(shù)為72-75％時，電阻率發(fā)生突變，材料由導(dǎo)體向半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變，這是由于TB體系中導(dǎo)電相和絕緣性發(fā)生了滲流轉(zhuǎn)變；而SiC含量對樣品的致密度和力學(xué)性能沒有顯著影響，但樣品導(dǎo)電性、熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，隨SiC的增加而下降；
　　 (2)隨著燒結(jié)溫度的提高和燒結(jié)時間的延長，TBS復(fù)相陶瓷的致密度、熱導(dǎo)率和熱

7、膨脹系數(shù)變大，但導(dǎo)電性能和力學(xué)性能先增大后減小。顯微結(jié)構(gòu)分析表明：過高的燒結(jié)溫度和過長的燒結(jié)時間會使得晶粒異常長大，BN晶粒長大成大片狀結(jié)構(gòu)，會增加導(dǎo)電勢壘。同時，TiB2和SiC晶粒變大使得晶界比例減小，初始裂紋尺寸變短，斷裂的臨界應(yīng)力降低。當(dāng)TiB2與SiC體積比為6:1，BN體積分數(shù)為72％時，TBS樣品在1750℃燒結(jié)溫度，60 min燒結(jié)時間時，樣品導(dǎo)電性能和力學(xué)性能最好，電阻率、彈性模量和抗彎強度分別為24μΩ·cm、235