硼/碳热还原结合热压烧结原位制备ZrB_(2)陶瓷及其性能研究

为降低制备成本,提高ZrB_(2)陶瓷的性能,以ZrO_(2)、B_(4)C、炭黑为原料,按n(ZrO_(2))∶n(B_(4)C)∶n(C)分别为2∶1∶3、2∶1.1∶3、2∶1.2∶3、2∶1.3∶3配料,采用硼/碳热还原结合热压烧结法原位制备了ZrB_(2)陶瓷。利用反应热力学计算了不同CO分压(10^(5)、10^(2)、1和10^(-2)Pa)下ZrO_(2)-B_(4)C-C体系中各反应发生的概率和起始反应温度。研究了原料配比和热处理温度(1800、1850、1900和1950℃)对ZrB_(2)陶瓷试样性能、物相组成和显微结构的影响。结果表明:1)低CO分压显著降低该体系中各反应的起始温度;2)随B_(4)C加入量的增加,ZrB_(2)相含量增多,当n(ZrO_(2))∶n(B_(4)C)∶n(C)=2∶1.2∶3时,制备出氧含量仅为0.333%(w)的ZrB_(2)粉(以B_(2)O_(3)和ZrO_(2)的形式存在);3)随热处理温度的升高,试样的致密度和硬度逐渐增大,弯曲强度和断裂韧性呈先上升后下降的趋势。当热处理温度为1900℃时,试样的综合性能最佳,其相对密度、断裂韧性、弯曲强度和硬度分别为91.75%、4.87 MPa·m^(1/2)、525 MPa、18.6 GPa。

硼酸碳热还原-渗硅反应烧结制备碳化硼陶瓷复合材料

碳化硼性能优良,应用广泛,但制备成本较高。为了从源头解决碳化硼陶瓷材料制备成本高的问题,本工作直接以碳热还原法合成的碳化硼-C复合粉体为原料,无需进行破碎提纯,通过渗硅反应烧结制备碳化硼复合材料,所得材料性能与以市售碳化硼粉体为原料制备的材料性能相当,有效降低了其制备成本。主要研究了原料碳硼摩尔比对合成粉体以及碳化硼复合材料物相、显微组织和性能的影响,并探讨了碳化硼陶瓷复合材料的强韧化机理。结果表明:随着碳硼摩尔比增加,合成粉体中碳化硼粉体的碳硼原子比增加,且合成粉体中游离C含量增加;当碳硼摩尔比为2.01时,游离C包覆在碳化硼粉体颗粒表面。复合材料相组成均为B_(12)(C,Si,B)_(3)、SiC和Si,随着碳硼摩尔比的增加,复合材料中碳化硼和游离Si含量降低,SiC含量、大尺寸SiC区域的尺寸、大尺寸SiC区域和纳米SiC颗粒的数量均增加。大尺寸SiC区域的产生会降低材料的强度和韧性,而SiC纳米颗粒的形成有利于提高材料的强度和韧性。当碳硼摩尔比为1.35时,复合材料的抗弯强度和断裂韧性最高,分别为338 MPa和4.06 MPa·m^(1/2)。

碳热还原-反应烧结法制备多孔氮化硅陶瓷

以廉价的二氧化硅、炭黑和硅粉为起始原料,利用碳热还原–反应烧结法制备了高气孔率、孔结构均匀的多孔氮化硅陶瓷,考察了原料中硅粉含量对多孔氮化硅陶瓷微观组织和力学性能的影响。XRD分析表明烧结后的试样成分除了少量的-Si3N4相和晶间相Y2Si3O3N4外,其余都是β-Si3N4相;SEM分析显示微观组织由棒状β-Si3N4晶粒和均匀的孔组成。通过改变硅粉的含量,制备了不同气孔率,力学性能优异的多孔氮化硅陶瓷。

溶胶-凝胶法和硼热-碳热还原合成ZrB_2空心球粉体

为了合成性能较好的Zr B2空心球粉体,以氧氯化锆(Zr Cl O2·8H2O)、硼酸(H3BO3)、葡萄糖(C6H12O6)为原料,先采用水热碳化工艺制备了碳微球,再以预合成的碳微球为模板,采用溶胶-凝胶法、硼热-碳热还原工艺合成了Zr B2超细空心球粉体,研究了反应温度(1 200、1 300、1 400和1 500℃)及碳微球的含量(n(C)n(Zr O2+B2O3)分别为5.0、5.5、6.0和6.5)对Zr B2空心球粉体合成的影响。结果表明:水热碳化工艺制备的碳微球表面较为光滑,具有良好的空心结构;过量的碳微球和较高的反应温度均能在一定程度上有助于Zr B2空心球粉体的合成;合成Zr B2空心球粉体的最佳反应温度为1 500℃,最佳碳微球含量为n(C)n(Zr O2+B2O3)=6.5。

硼-碳热还原法合成纳米SiC-ZrB2复合陶瓷粉体

以ZrSi_2、B_4C和炭黑为原料,采取硼-碳热还原法,分别在1000、1200及1400℃温度下反应,合成纳米SiC-ZrB_2复合陶瓷粉体。采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)及X射线衍射(XRD)对复合粉体的显微形貌、物相组成及晶粒尺寸进行表征;利用热力学计算分析合成过程的反应机理。结果表明:当温度为1000℃时,硼-碳热还原反应并不彻底,粉体中仍存在ZrSi_2未参与反应;当温度升高到1200℃时,反应可完全进行,合成的纳米SiC-ZrB_2复合陶瓷粉体颗粒分布均匀,SiC粒子尺寸约为40 nm,ZrB_2颗粒尺寸约为300 nm;当温度进一步升高到1400℃后,SiC-ZrB_2复合粉体中晶粒长大明显,SiC颗粒附着在ZrB_2颗粒表面,并且复合粉体出现烧结引起的密实现象。

热压烧结TiB_2-ZrB_2固溶复合陶瓷的结构研究

以ZrB2 作为掺加剂 ,通过热压烧结制备了TiB2 -ZrB2 固溶复合陶瓷。采用X射线衍射分析对材料的相组成、晶格常数和晶体结构进行了分析 ,材料的显微结构分别由EPMA ,SEM和TEM测定。研究结果表明 ,随着ZrB2 掺入量的增大 ,固溶产物的晶格常数会相应增加 ,当ZrB2 的掺加量为 8% (摩尔分数 )时 ,产物的晶格常数出现极大值 ;ZrB2 可以与TiB2 形成部分固溶的固溶体 ,在复合材料中存在富Ti和富Zr的两种硼化物 ;由于固溶反应在界面上进行 ,有效地降低了烧结过程中的晶界移动速度 。

先驱体转化-热压烧结C_f/SiC复合材料的密化机理

本文采用先驱体裂解—热压烧结方法制备出了Cf SiC复合材料 ,并重点研究了复合材料的致密化过程。结果表明 ,复合材料主要是通过液相烧结而得到致密化的。由于复合材料中聚碳硅烷 (PCS)的裂解不仅有利于烧结液相的形成 ,而且形成了大量的纳米级SiC颗粒 ,因此 ,复合材料能够在较低烧结温度下得到较好的致密化 。

非晶前驱体碳热还原法制备超细硼化锆粉体

利用Zr O2-B2O3-C反应体系碳热还原的基本原理,分别选用八水合氧氯化锆（Zr OCl2·8H2O）、硼酸（H3BO3）和蔗糖（C11H22O11）作为Zr O2、B2O3和C的来源,柠檬酸（C6H8O7）为络合剂,采用溶胶-凝胶法制得硼化锆的非晶前驱体,经过碳热还原反应热解制备出超细硼化锆粉体。分别研究了硼酸、蔗糖用量和热解温度对产物的物相组成的影响。采用红外光谱仪、热重-差热分析仪、X射线衍射仪、比表面积分析仪和扫描电镜对硼化锆前驱体及热解产物进行表征和分析。结果表明：初始原料中八水合氧氯化锆：硼酸：裂解碳（物质的量比）=1∶4∶10时,可在相对较低温度下（1300℃）热解得到硼化锆粉体,且随着热解温度的升高硼化锆粉体的纯度也越高。当热解温度为1600℃、热解时间为2 h时碳热还原反应完成,产物中只有硼化锆;硼化锆颗粒呈球形或类球形,粒径分布在0.2~0.6μm之间、比表面积为74 m2/g。

热压烧结制备BN-MgAlON复合材料及其力学性能研究

以BN-MgAlON复合粉体为原料,Y2O3为烧结助剂,在N2气氛下热压烧结制备了BN-MgAlON复合材料,用X射线衍射和扫描电镜对材料的物相组成和显微结构进行了表征,研究了烧结温度对材料的物相组成、烧结性能和力学性能的影响。结果表明,在1650~1750℃可制备出致密的BN-MgAlON复合材料。材料主要成分为MgAlON、Sialon、BN和Ca YAl3O7,随烧结温度的提高,MgAlON的衍射峰逐渐增强。1750℃下所得材料结构均匀致密,材料中Al、Mg、O、N分布比较均匀。材料的抗弯强度、断裂韧性和显微硬度均随着烧结温度的升高而提高。1750℃下的材料性能最好,其体积密度为2.79 g·cm-3,显气孔率为0.3%,抗弯强度为283 MPa,断裂韧性为3.85 MPa·m1/2,硬度为15.33 GPa。并且1750℃,恒温1 h条件下烧结的得到的BN-MgAlON复合材料的抗冲刷性和耐磨性均远远优于耐磨钢B-hard-450。

碳热还原法合成ZrB_2粉体及其游离碳的去除

以八水合氯氧化锆、硼酸、蔗糖、柠檬酸、甘油为原料,按n（C）n（Zr）分别为5.5 1、6 1、6.5 1、7 1、7.5 1配料,采用溶胶-凝胶法制成ZrB_2先驱体干凝胶,然后在1 500℃氩气气氛中碳热还原制备ZrB_2粉体。采用XRD、SEM分析ZrB_2粉体的物相组成和显微结构;采用DTA-TG分析ZrB_2粉体中游离碳和ZrB_2的起始氧化温度,然后分别在550和650℃进行0~140 min的除碳试验。结果表明：1）当配料中n（C）n（Zr）≤6.5时,ZrB_2粉体中不存在Zr C相;粉体团聚严重,一次颗粒粒径为100~200 nm,晶粒尺寸约为37 nm。2）ZrB_2粉体中游离碳和ZrB_2的起始氧化温度分别为500和700℃。3）在550和650℃分别氧化120和80 min后,游离碳已趋于氧化完全;在650℃保温140 min氧化后,ZrB_2未被氧化。

碳热还原-常压烧结法制备多孔氮化硅陶瓷

釆用SiO2和α-Si3N4在氮气中通过碳热还原–常压反应烧结法,原位反应制备了氮化硅多孔陶瓷。由于反应中存在大量的质量损失,烧结的制品为高气孔的材料。通过改变原料中α-Si3N4与SiO2和C粉的相对含量,可以形成具有细小针状结构的β-Si3N4晶粒,以此获得气孔率可控的高性能的多孔氮化硅材料。随着原料中α-Si3N4含量的增大,烧结后,样品的总质量损失逐渐减小,收缩率逐渐降低,气孔率逐渐减小,弯曲强度逐渐增大。当α-Si3N4的质量分数为50%时,碳热还原–常压反应烧结的样品中的β-Si3N4晶粒具有更高的长径比,样品气孔率为68.7%,具有优良的力学性能,弯曲强度达到37.7MPa。

AlN粉体及高导热陶瓷散热罩的制备

以Al2O3和碳粉为原料,采用碳热还原法制备了Al N粉体,探讨了原料摩尔比、合成温度和保温时间等因素对Al N粉体合成的影响。通过XRD,SEM等测试对粉体进行了表征。在1650℃保温4 h,合成出粒径约为1~5μm的纯Al N粉末,原料粒度越细越有利于Al N的生成,C/Al2O3摩尔比应略大于3。以石蜡为主粘结剂,通过热压铸成型方法成型Al N陶瓷散热罩素坯,经低温排胶、无压烧结工艺后得到高导热率Al N基陶瓷散热罩。研究了素坯排胶过程及陶瓷烧结过程的影响因素,排胶过程中缓慢升温至300℃,可避免素坯坍塌;排胶后素坯在1800℃无压烧结4 h制得的Al N陶瓷LED散热罩密度为3.24 g/cm^3,室温热导率高于100 W/m·K。

热压烧结碳化硼陶瓷的相成分控制

碳化硼陶瓷具有极高的硬度和良好的热传导性能,但这些性能极大地依赖于其化合硼碳比。当化合硼碳比偏离4(B_(4)C)时,其性能会有大幅下降。本研究以几种商业碳化硼粉体为研究对象,通过对其X射线衍射谱图的细致分析,从重叠峰中分离出富硼碳化硼的衍射峰并进行标定。在此基础上,研究了不同烧结工艺下碳化硼陶瓷的物相组成及富硼相的转变过程。研究结果表明,商业碳化硼粉体通常为B_(4)C与B_(4)C等富硼相及其他杂相的混合相。XRD及拉曼光谱结果显示,在热压烧结过程中,粉体中的富硼相会与游离碳反应生成B_(4)C,采用商业碳化硼粉在2100℃、40 MPa条件下热压60 min制备得到了纯相的B_(4)C陶瓷。

碳源对AlON粉体合成及其透明陶瓷制备的影响

以纳米炭黑、微米碳粉为碳源,采用碳热还原法合成AlON粉体和无压烧结制备AlON透明陶瓷。利用X射线衍射仪、扫描电镜、颗粒度分析仪和分光光度计等研究碳源对粉体及陶瓷制备的影响。结果表明：碳源尺寸及形貌与AlON粉体的合成温度、粉体形貌及颗粒大小密切相关;采用纳米炭黑降低了AlON粉体的合成温度,在1730℃合成了单相粉体;采用微米碳粉在1750℃煅烧2h条件下制备了高纯度的AlON粉体,从而制备了高透光率的AlON陶瓷,该样品（1mm厚）在1000~5000nm波长范围内的直线透过率在80%左右,在3.93μm波长处光学透过率最高可达83.7%,其平均晶粒尺寸为110~120μm。

ZrB_2含量对LaB_6-ZrB_2复合材料性能的影响

采用碳热还原法合成了不同ZrB2含量的LaB6ZrB2复合粉末。通过热压烧结法制备了相应的复合材料,其性能测试结果表明:随着ZrB2含量的增加,LaB6ZrB2复合材料的硬度和弯曲强度均随之增大,而断裂韧性则先增后减,在ZrB2质量分数为21%时,其断裂韧性达最大值。利用金相显微镜和扫描电镜观察多晶试样的微观组织及断口形貌,初步分析了复合材料的增韧机制。

石墨粒度对赛隆-石墨复相材料相组成和显微结构的影响

以氮化铝粉(w(AlN)=99%)、硅粉(w(Si)=99%)、活性氧化铝微粉(w(Al2O3)=99%)和鳞片石墨为主要原料,在流动N2气氛下分别于1 480和1 550℃制备赛隆-石墨复相材料。研究了石墨粒度(300、125、45μm)和烧成温度(1 480、1 550℃)对β-SiAlON合成率的影响,同时借助XRD、SEM等手段分析和观察了材料的物相变化和断口形貌。结果表明,在1 480和1 550℃下,石墨均阻碍了β-SiAlON的合成:在1 480℃,石墨阻碍了α-Si3N4向β-Si3N4转化,并且石墨粒度越小,阻碍作用越显著;在1 550℃,碳热还原反应加剧,石墨对15R-SiAlON的生成更有利,并且石墨粒度越小,生成15R-SiAlON的趋势越大。

烧结制度对多孔氮化硅陶瓷的制备及特性的影响研究

采用碳热还原-常压烧结法制备高性能多孔氮化硅陶瓷材料,结合热力学分析和TG-DTA分析得出碳热还原反应的主要机理和起始反应温度,在此基础上分别通过三种烧结制度制备多孔氮化硅陶瓷,并利用XRD、SEM以及压汞仪研究其对结构与性能的影响。结果表明:碳热还原反应属于吸热反应,其吉布斯自由能随温度升高而降低,反应起始温度为1472℃;制得的多孔氮化硅陶瓷主要由长柱状β-Si_3N_4晶粒交错搭接而成,1200℃预烧结有利于β-Si_3N_4晶型的发育,制备的产物晶粒细小,长径比较大,组织分布均匀,晶粒结合较为紧密,其内部具备大量不规则孔隙结构,孔容为0.5538m L·g^(-1),孔隙率为48.04%,在保持较高的气孔率的同时兼具了较高的强度。

硼化钛及其单相陶瓷的制备

简单介绍了硼化钛(TiB2 )陶瓷的性质及其用途。重点介绍了TiB2 原料及其单相陶瓷的制备与生产工艺,其中包括采用碳热还原法、自蔓延高温合成法、机械化学反应法等方法制备TiB2 原料;通过添加烧结助剂,采用无压烧结和热压烧结的工艺制备TiB2 单相陶瓷。

烧结温度对BN陶瓷材料强度的影响

采用热压烧结(HP)法制备纯BN陶瓷和B_2O_3—BN陶瓷复合材料。利用三点弯曲方法测定了这两种材料的杭弯强度、弹性模量等力学性能,通过扫描电镜对两种材料的断口进行了分析。结果表明:纯BN陶瓷烧结温度达到180O℃时相对质量密度和强度较低;添加B_2O_3烧结温度超过900℃时可以形成液相,改善了BN的烧结性能,提高了B_2O_3—BN复合陶瓷的相对质量密度,从而提高了材料的强度。

超细硼化锆粉体制备过程中的影响因素探究

探究了溶胶-凝胶协同碳热还原反应制备超细ZrB_2粉体中Zr^(4+)与柠檬酸的配比r、溶胶-凝胶温度T、体系pH值和分散剂含量c对ZrB_2前驱体及热解产物的影响。并采用X射线衍射仪、红外光谱仪、激光粒度仪、场发射扫描电镜和透射电镜对ZrB_2前驱体及热解产物进行表征和分析。结果表明:r=2,pH=4为柠檬酸和Zr^(4+)发生络合反应的最佳条件;当T=50℃时,产物基本为球形或类球形,且粒度分布均匀;聚乙二醇除分散作用外,还能够对溶胶中团簇的交联起到"导向"作用,使热解后的晶粒排列有序,当c=2%时,可获得分散性好、尺寸均匀的产物。