基于SPS法B4C/6061Al中子吸收复合材料组织及性能

B₄C中B的同位素¹⁰B具有较大的热中子吸收截面,是良好的中子吸收体。采用放电等离子烧结法（SPS）制备了B₄C体积分数为10%~40%的B₄C/6061Al中子吸收复合材料,对B₄C/6061Al中子吸收复合材料的微观组织形貌及物相组成进行了观察分析,并测试了其拉伸性能。结果表明：B₄C颗粒均匀地分布在6061Al基体中,颗粒尖端放电产生的等离子体能够促进B₄C颗粒/6061Al基体界面结合,材料内部的物相主要有Al、B₄C、AlB₂和Al₃BC。随着B₄C体积分数的增加,B₄C/6061Al中子吸收复合材料的致密度降低,抗拉强度先增加后降低,断裂机制主要为6061Al基体及B₄C颗粒/6061Al基体界面的撕裂。     

微/纳B4C增强6061Al复合材料微观结构及力学性能

采用先进粉末冶金技术(放电等离子烧结+热挤压)制备了三种体积分数(3vol%、5vol%、7vol%)的微/纳B₄C增强6061Al复合材料,对不同制备阶段复合材料的微观组织(SEM、TEM、EBSD)进行观察分析,对复合材料的纳米压痕行为及拉伸性能进行测试。结果表明:烧结后B₄C颗粒在基体中呈“网状”分布;挤压变形后B₄C颗粒在基体实现弥散均匀分布。挤压变形后,纳米B₄C在晶内及晶界均有分布,纳米B₄C对位错的钉扎作用使得基体积累大量位错,提供驱动力并越过动态回复,使内部再结晶比例高达74%。当B₄C体积分数为3vol%时,挤压态B₄C/6061Al复合材料的抗拉强度、屈服强度及延伸率为219 MPa、88 MPa和22.5%,断裂形貌中呈现大量韧窝。      

热轧高含量B4C颗粒增强Al基复合材料的成形性能

高含量B₄C (B₄C≥30wt%)颗粒增强Al基(B₄C_P/Al)复合材料具有优异的结构和功能特性,尤其是具有优异的中子吸收性能,在核防护领域被用做屏蔽材料使用。但由于高含量B₄C颗粒的加入,使B₄C_P/Al复合材料变形困难。采用ABAQUS数值模拟方法对不同变形量下B₄C_P/Al复合材料的热轧过程进行数值模拟分析,在480℃温度下对热压烧结的B₄C_P/Al复合材料坯料进行轧制,并对其微观组织和力学性能进行分析。数值模拟结果表明,热轧变形量达到60%以上时,B₄C_P/Al复合材料板材表面中间区域应力较小,侧面应力较大,在板材边缘容易产生残余应力。研究结果表明,随轧制下压量的增加,B₄C_P/Al复合材料中B₄C颗粒分布明显均匀,位错密度增加。当轧制变形量达到70%时,B₄C_P/Al复合材料的屈服强度提高至249.46 MPa,极限抗拉强度提高至299.56 MPa。在拉伸过程中,B₄C颗粒优先断裂,但并未与基体界面脱黏,B₄C颗粒承受了主要载荷,Al基体发生塑性流动,从而提高了B₄C_P/Al复合材料的强度。      

颗粒尺寸对B4C增强铝基中子吸收材料界面反应与力学性能的影响

采用粉末冶金真空热压法制备了B₄C质量分数为31%、平均颗粒尺寸分别为6.5 μm、9.3 μm、17.3 μm、28 μm、39.5 μm的纯Al和6061Al基体的复合材料。对复合材料进行微观结构和力学性能检测,结果表明:所有复合材料的B₄C颗粒在基体中都均匀分布,且致密度都达到99%以上;对于纯Al基复合材料,随着颗粒尺寸增加,其致密度和塑性逐渐增加,强度逐渐下降;对于6061Al基复合材料,致密度随着颗粒尺寸的增加稍有降低,其强度和塑性受颗粒尺寸和热压温度共同影响,当热压温度610℃时,界面反应严重,随B₄C颗粒尺寸增加,强度先下降后上升,塑性先上升后下降;当热压温度580℃时,界面反应轻微,复合材料强度逐渐下降,塑性逐渐上升。颗粒尺寸、界面反应和基体材料等均影响B₄C增强铝基复合材料的力学性能。      

CF-B4C/Al中子吸收复合材料的微观组织及力学行为

基于B₄C良好的中子吸收性能和碳纤维（CF）慢化中子的性能,采用真空热压烧结方法制备了集结构与功能一体具有不同CF含量的CF-B₄C混合增强6061Al基复合材料,并对热轧后的组织形貌和力学性能进行分析。结果表明,大变形量热轧后B₄C颗粒和CF分布较均匀,没有出现大面积的聚集现象,但是少量B4C颗粒和CF在轧制压力的作用下发生了断裂。当变形量达到60%时,复合材料的抗拉强度可达（265±3） MPa,与6061Al合金的抗拉强度相比,不同厚度的CF-B₄C/Al复合材料的抗拉强度分别提高了80%和112%。随着CF含量的增加,CF-B₄C/Al复合材料的强度和延伸率均减小。当CF含量达到5wt%时,断裂的主要原因是有纤维的聚集及纤维沿断裂方向排布。     

增强颗粒尺寸对B4C/Al-Zn-Mg-Cu复合材料微观组织及力学性能的影响

用真空热压法制备不同B₄C颗粒尺寸(7μm、14μm、20μm)的15%B₄C/Al-6.5Zn-2.8Mg-1.7Cu复合材料，研究了增强颗粒尺寸对其微观组织和力学性能的影响。结果表明，在这三种复合材料中B₄C颗粒均匀分布，B₄C-Al界面反应较为轻微，未见明显的界面反应产物。三种复合材料基体中沉淀相的尺寸基本相同(约为5.5 nm)。B₄C颗粒的尺寸对复合材料力学性能有较大的影响。B₄C颗粒尺寸为7μm的复合材料性能最佳，屈服强度为648 MPa，抗拉强度为713 MPa，延伸率为3.3%。随着颗粒尺寸的增大复合材料的强度和延伸率均降低。对三种复合材料的强化机制和断裂机制的分析结果表明：小尺寸B₄C颗粒增强的复合材料强度较高，颗粒在变形过程中不易断裂，因此其塑性较好。     

界面反应产物对B4C/Al复合材料颗粒润湿性及界面强度的影响机制

采用搅拌铸造法制备了B₄C/Al复合材料,利用实验分析结合第一性原理计算的方法,探讨了界面反应产物Al₃BC和TiB₂对B₄C/Al复合材料颗粒润湿性及界面结合强度的影响机制。结果表明,界面反应产物为Al₃BC时,B₄C颗粒润湿性没有得到实质性改善,存在明显的颗粒团聚现象,界面结合强度较低且过度的界面反应使B₄C颗粒分解损耗严重,导致B₄C颗粒增强效果不明显;而通过添加Ti元素使界面反应产物为TiB₂时,颗粒润湿性明显改善,B₄C颗粒团聚现象显著减少,界面结合强度较高,力学性能得到显著提高。这主要是由于不同终端的Al（111）/TiB₂（0001）界面黏附功均大于Al（111）/B₄C（0001）的界面黏附功,表明界面反应产物TiB₂可以提高B₄C颗粒的润湿性,而界面反应产物Al     

(SiC,TiB2)/B4C复合材料的烧结机理

研究了在热压条件下制备 (SiC, TiB₂)/ B₄C复合材料的烧结机理。认为烧结助剂的加入使本体系成为液相烧结,同时粉料的微细颗粒对复合材料的烧结致密也有重要贡献。分析和测量了制取的复合材料的相组成、显微结构和力学性能。结果表明,采用B₄C与Si₃N₄和少量SiC、TiC为原料,Al₂O₃＋Y₂O₃为烧结助剂,在烧结温度1800~1880℃,压力30 MPa的热压条件下烧结反应生成了SiC、TiB₂和少量的BN,制取了(SiC, TiB₂)/B₄C复合材料。所形成的晶体显微结构为层片状。制得的试样的硬度、抗弯强度和断裂韧性分别可达HRA88.6、540 MPa和5.6 MPa·m1/2。      

碳化物陶瓷颗粒对双相高熵合金基复合材料微观组织和力学性能的影响

高熵合金拓宽了复合材料中金属基体的选用范围。本文通过外加碳化物陶瓷颗粒,利用电弧熔炼技术制备Fe_49.5Mn₃₀Co₁₀Cr₁₀X_0.5 (X=B₄C、ZrC和TiC)等3种高熵合金复合材料,系统研究3种碳化物陶瓷颗粒对双相高熵合金基复合材料微观组织和力学性能的影响。研究结果表明：掺杂碳化物陶瓷颗粒均可细化高熵合金基体的晶粒尺寸,稳定fcc相,抑制hcp相形成,其中B₄C陶瓷颗粒细化晶粒和稳定fcc相效果最显著。掺杂ZrC和B₄C陶瓷颗粒样品,力学性能低于高熵合金基体样品,归因于ZrC和B₄C陶瓷颗粒与基体之间的界面结合情况不佳,界面处出现孔洞性缺陷;而掺杂TiC陶瓷颗粒样品,其强韧化效果显著,归因于良好的界面结合、细晶强化、弥散强化及颗粒承载强化等。     

6061铝颗粒层增强7075铝基复合材料的微观结构及阻尼性能

采用热轧法制备出具有颗粒层状结构的6061p/7075铝基复合材料以改善7075铝合金的阻尼性能。通过OM、SEM、EDS和XRD分析6061p/7075层状铝基复合材料的微观组织,分别采用万能力学试验机和动态热机械分析仪分析其力学性能和阻尼行为。研究表明,6061铝颗粒层存在大量的颗粒间界面和微小孔隙,6061铝颗粒层与7075铝基体之间界面结合良好,没有发生界面反应;6061p/7075层状铝基复合材料最大抗拉强度为370.5 MPa,比7075铝基体提高了30%;6061p/7075层状铝基复合材料和基体材料的内耗值分别随着温度和应变量的升高而增大,复合材料的阻尼性能明显优于7075铝基体,在360℃时,复合材料的内耗值高达0.117,比7075铝基体提高了149%;6061p/7075层状铝基复合材料和基体材料的储能模量分别随着温度和应变量的升高而降低,在30℃时,复合材料的储能模量为38601 MPa,比7075铝基体高16%。      

反应烧结B4C/Al2O3复合陶瓷的装甲防护性能研究

以B₂O₃、Al、石墨和B₄C粉体为原料, 采用反应-热压烧结工艺在1800℃/35 MPa的烧结条件下制备了致密的碳化硼基复相陶瓷, 对复相陶瓷的显微组织、物相组成、硬度、抗弯强度以及断裂韧性进行了观察与测试, 采用7.62 mm口径的穿甲弹分别对约束状态下和自由状态下的复相陶瓷靶板进行了剩余穿深试验(DOP), 并以AZ陶瓷和B₄C陶瓷为对比靶板, 根据剩余穿深结果计算了各自的防护系数。结果表明, 复相陶瓷的主要成分为B₄C和Al₂O₃, 其中主相B₄C约占70wt%, 第二相Al₂O₃约占30wt%, 由Al-B-O共同构成的复杂中间相填充在主相与第二相之间; 复相陶瓷的密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为2.82 g/cm³, 41.5 GPa, 380 MPa和3.9 MPa•m^1/2, 其中断裂韧性比纯碳化硼陶瓷提高了85.7%; 复相陶瓷的防护系数为7.34, 比AZ陶瓷和碳化硼陶瓷分别提高了11%和70%; 在约束状态下, 各个样品的防护系数比自由状态均提高10%。     

SiC含量对机械合金化-热压制备B4C-SiC复合陶瓷的影响

以B₄C、SiC粗粉为原料, 采用机械合金化辅助热压烧结工艺, 在不添加任何助烧剂的情况下于1950℃制备出致密的B₄C-SiC复合陶瓷。通过对烧结样品进行相对密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性测试, 研究SiC含量对复合陶瓷力学性能的影响; 结合XRD、SEM和TEM对样品进行组分和微观结构分析, 研究其微观结构与力学性能之间的关系。结果表明: 复合陶瓷的相对密度和断裂韧性随SiC含量的增加而增大, 当SiC含量为50wt%时获得最大值为96.1%和4.6 MPa•m^1/2; 复合陶瓷的硬度和抗弯强度随SiC含量的增加呈先增大后减小的趋势, 在SiC含量为20wt%时获得最大值25.5 GPa和480 MPa。SiC相均匀分布在B₄C基体中使得复合陶瓷具有较高的强度; B₄C与SiC之间好的界面相容性以及SiC的高断裂韧性是该B₄C基复合陶瓷韧性得到显著提高的原因。     

纯镁对碳化硼颗粒的常压浸渗

本文研究了纯镁对不同致密度的碳化硼(B₄C)颗粒基片的常压浸渗性;讨论了镁液对B₄C颗粒聚集体常压浸渗的影响因素;提出了浸渗模型。研究表明,纯镁在氩气保护下,800～850℃温度范围保温30min即可浸渗B₄C颗粒聚集体。浸渗深度和宽度随加热温度升高和保温时间延长而增加;常压浸渗的B₄C_P/Mg复合材料具有很高的硬度,B₄C颗粒在基体中分布较均匀。      

TiB_2基陶瓷-42CrMo合金钢层状复合材料界面结构与力学性能

采用自蔓延高温合成离心熔铸工艺可以快速制备出TiB_2基陶瓷-42CrMo合金钢层状复合材料,并在层间界面上形成TiB_2基陶瓷/Fe-Ni合金相三维网络跨尺度连续梯度复合结构,使层状复合材料分为陶瓷基体、中间过渡区与合金钢基底3层结构。通过材料力学性能测试并结合FESEM、HRTEM观察,得出正是由于层间界面上原位生成TiB_2基陶瓷/Fe-Ni合金的三维网络跨尺度连续梯度复合结构,使复合材料不仅具有高的弯曲强度与断裂韧性,而且又使之在三点弯曲测试时呈现出明显的"假塑性"力学行为特征。同时,陶瓷基体附近界面上TiB_2基陶瓷/Fe-Ni基合金复合结构裂纹互锁效应与中间过渡区上TiB_2微纳米/纳米晶沉淀强化机制的协同作用又使TiB_2基陶瓷-42CrMo合金钢层状复合材料具有高的层间界面剪切强度。     

真空等离子体喷涂B4C-Mo复合涂层耐磨性能研究

采用真空等离子体喷涂技术制备了B₄C-Mo复合涂层, 并对其耐磨性能进行了研究。与B₄C纯涂层相比, 复合涂层结构更为致密, (B, Mo)C过渡相的存在改善了B₄C相与Mo相之间的润湿性, 进而有效提高了涂层的抗摩擦磨损性能。此外, Mo在喷涂过程中形成了大量的纳米晶, 这也在一定程度上促进了复合涂层耐磨性能的提高。     

原位引入BN-SiC燃烧合成Si3N4-BN-SiC复合材料

Si₃N₄-BN-SiC复合材料以其良好的力学性能和抗氧化性能而具有良好的工程应用前景。本研究以Si、Si₃N₄稀释剂、B₄C和Y₂O₃为原料, 采用燃烧合成法成功制备了Si₃N₄-BN-SiC复合材料。通过Si、B₄C和N₂气之间的反应, 在Si₃N₄陶瓷中原位引入BN和SiC, 制备的Si₃N₄-BN-SiC复合材料由长棒状的β-Si₃N₄和空心球形复合材料组成。实验研究了空心球微结构的形成机理, 结果表明, 生成的SiC、BN颗粒及玻璃相覆盖在原料颗粒上, 当原料颗粒反应完全时, 形成空心球形微结构。并进一步研究了B₄C含量对Si₃N₄-BN-SiC复合材料力学性能的影响。原位引入SiC和BN在一定程度上可以提高复合材料的力学性能。当B₄C添加量为质量分数0~20%时, 获得了抗弯强度为28~144 MPa、断裂韧性为0.6~2.3 MPa·m ^1/2, 杨氏模量为17.4~54.5 GPa, 孔隙率为37.7%~51.8%的Si₃N₄-BN-SiC复合材料。