碳化硼陶瓷的高溫高壓制備及性能研究

王方標, 魏瑞瑩, 王麗娟, 王艷奎

(牡丹江師范學院 黑龍江省省級重點超硬材料實驗室,黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

碳化硼陶瓷(B4C)作為硬度(>30 GPa)僅次于金剛石、立方氮化硼的工程陶瓷材料,具有熔點高(2 450 ℃)、密度小(2.52 g/cm3),而且在高溫下仍然具有較大的抗拉強度、優越的抗氧化侵蝕能力[1]。在航空航天、屏蔽材料、輕質裝甲、磨料、拋光介質和耐磨材料等多個領域得到了廣泛的應用[2]。然而,碳化硼作為一種共價鍵陶瓷,共價鍵含量高達90%以上并且比表面積小,其自擴散系數極低,燒結活性小,造成晶界遷移困難。溫度只有在接近熔點時,燒結擴散才能明顯發揮作用,這使得碳化硼陶瓷的斷裂韌性低,致密化困難,極大限制了其應用范圍[3]。其作為一種硬度排行榜前三的材料,于19世紀50年代被英國科學家發現,但卻在19世紀80—90年代才被確認分子式B4C (由英國的Joly與法國Moissan制備與認定)[4]。在確定碳化硼的分子式時發現碳化硼的碳含量占比區間廣泛,在(8.8～20) at %范圍內均可成型,此外碳化硼陶瓷擁有龐大的同分異構體家族。碳化硼憑借其質輕、高硬度、高彈性、高中子吸收性等優點,從而被廣泛地應用在各項工業領域中[5]。如今的航空航天方向已經大范圍地應用碳化硼作為火箭噴嘴的耐熱材料[6],并且在核能工業生產中,碳化硼通常作為反應堆控制棒的主要材料,這一性能在20世紀的切爾諾貝利核電站的建造中便得到了應用[7]。在發現伊始,最主要的應用便是作為金屬拋光材料,可以對金屬及陶瓷進行表面研磨等工作。因……