致密碳化硼基陶瓷的强韧化机理研究进展

背景介绍

图文导读

1

稀土化合物增强B₄C陶瓷

2

碳化硅增强B₄C陶瓷材料

SiC拥有着高硬度、高强度、高断裂韧性、高耐磨性以及低密度等优异特性，并且B4C和SiC的热膨胀系数相近，导致裂纹不沿界面传播，SiC的韧性高于B4C，可以通过穿晶断裂的方式消耗更多能量，因而被认为是B4C的最佳烧结助剂。

按照引入形式可分为直接引入SiC、Si单质引入、SiC晶须(SiCw)引入和液态Si或硅合金引入。图1为随着Si含量的增加，B₄C/SiC复合材料从纯穿晶断裂模式转变为穿晶断裂和沿晶断裂混合的断裂模式。图2为复合添加SiCw和Si制备的材料断口形貌。

 图2  断口的FESEM图像：(a) 1 wt.% SiCw；(b) 3 wt.% SiCw

3

过渡金属硼化物增强B₄C陶瓷

高硬度、高熔点的过渡金属硼化物作为增强相，与B₄C由于热膨胀系数失配产生残余应力，导致裂纹偏转、桥接效应，有助于实现其强韧化；并且硼化物的引入强化了固溶和再结晶过程，提高了B₄C的烧结活性。向B₄C中添加适量的氧化物、金属碳化物，会与其原位反应生成硼化物增强相、较高活性的碳以及亚化学计量的B₄C_1x，这些反应产物由于晶格常数改变，产生结构缺陷，能进一步活化B₄C并促进烧结过程。

使用的过渡金属硼化物主要包括TiB₂、CrB₂、ReB₂。其中，TiB₂可以用多种引入方式，如直接引入TiB₂、Ti单质引入、TiO₂引入、TiC引入。

4

碳化物/硼化物复合增强B₄C陶瓷

碳化物、硼化物作为复合增强相引入B₄C陶瓷体系，通过不同相间弥散强化、裂纹偏转、微裂纹、裂纹阻碍作用以及多元系统间共晶液相的形成对B₄C的润湿作用，可以在促进烧结的同时起到更好的增强、增韧作用。

复合增强相的种类主要有：TiB₂/SiC、SiC/MoB₂、ZrB₂/ZrC、SiC/CrB₂。其中，TiB₂/SiC按照引入方式可以采用直接引入SiC/TiC引入、TiSi₂引入、Ti/Si单质引入、Ti₃SiC₂引入。

图3为B₄C-SiC-TiB₂复合材料中裂纹在抛光表面扩展过程示意图。从图中可以看出，由于SiC和TiB₂之间存在较大的TECs差异，裂纹在SiC-TiB₂复合相内沿两相内边界发生显著偏转，延长了裂纹扩展路径，消耗更多能量。

图3  B4C-SiC-TiB2复合材料中裂纹在抛光表面扩展的BSE图像(a)和示意图(b)

图4  B4C/Si-B4C复合材料显微结构示意图

图5为B₄C-SiC-CrB₂复合材料的TEM图像。B₄C、CrB₂和SiC的晶界分明、狭窄、清晰，三相具有良好的相容性，在填充孔隙的同时促进颗粒重排和固溶再沉淀，进一步促进致密化，并起到增韧作用，但其硬度略有降低。然而，过度添加铬硅化物，B₄C与SiC晶粒在更多的共晶液相中过度生长，会导致抗弯强度降低。并且反应过程中可能生成的六价Cr对环境和人体会造成污染与伤害，含Cr增强相的引入要求十分严格。

图5  (a)～(b)由10 wt.%硅化物制备的B4C-SiC-CrB2复合材料的TEM图像，(c)～(e)元素面扫图谱

5

碳纳米管(CNT)增强B₄C陶瓷

碳纳米管(CNT)具备低密度、高强度的特点，在生物活性玻璃陶瓷与各种多晶工程陶瓷中都有普遍应用，对材料的韧性有显著的提高作用。其增韧机制主要是CNT导致的微裂纹的形成以裂纹尖端应力强度因子的降低和裂纹偏转、桥接作用。

6

过渡金属硼化物增强B₄C陶瓷

石墨烯纳米片(GNPs)常被用于强化脆性多晶陶瓷的微观结构，提高其断裂韧性，由于GNPs在烧结初始阶段的润滑作用，它还会加速颗粒重排。相比于碳纳米管(CNT)，由于GNPs的二维多层结构使其裂纹桥接增韧效用更明显，并且更容易分散在陶瓷基体中。图6为采用还原氧化石墨烯(rGO)随机取向近净形制造工艺制备的压坯样品，样品经过快速致密化烧结可获得高硬度、高断裂韧性的B₄C/rGO复合陶瓷。

图6  通过滑动铸造制备的一些压坯的光学照片，拍摄于(a)在模具内干燥时和(b)干燥后

7

金属相增强B₄C陶瓷

陶瓷—金属复合材料界面研究中的主要问题是体系的润湿性与界面反应，适当的润湿性导致均匀的分布，导致载荷从基体传递到增强体而不会失效。增强B₄C陶瓷所使用的金属主要有Al、Cu/Ni、高熵合金(HEAs)。其中：金属Al表面的Al₂O₃薄膜与B₄C颗粒表面的B₂O₃层通过液相反应生成B₂O₃·Al₂O₃，能够有效改善界面的润湿性；Cu、Ni纳米粒子能够包覆在B₄C粉体表面，并且降低了B₄C陶瓷的烧结温度，另外，通过SnCl₂敏化处理，Cu/Ni金属粉体可以将B₄C颗粒进行良好的包覆；HEA添加剂对B₄C有良好的润湿性，能有效降低孔隙率。

结语与展望