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安徽工业大学教授冉松林：关于轻质、高强B4C–TiB2导电复相陶瓷的性能可控调控的研究

已有 428 次阅读 2024-5-8 15:05 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷) 期刊

Zhao J, Zhang XS, Ma ZN, Wang D, Jin X, Ran SL.Tuning mechanical and electrical performances of B₄C–TiB₂ ceramics in a two-step spark plasma sintering process. Journal of Advanced Ceramics, 2024.

https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220874

1、研究背景

B₄C陶瓷作为一种重要的结构工程材料，在耐磨材料、陶瓷增强、轻质装甲、核屏蔽等领域具有广阔的应用前景。但由于B₄C陶瓷的超高硬度和本征脆性，使用常规加工技术将其制备形状结构复杂的工程构件较为困难、加工效率低且成本高昂。TiB₂因其具有高熔点、高强度、高硬度以及较低的密度，而且其热膨胀系数与B₄C具有较大差异，在B₄C基体中添加TiB₂不仅可以保持B₄C陶瓷的低密度和高硬度的特点，而且能够大幅度改善B₄C陶瓷的力学性能。同时，TiB₂具有优良的导电性能，在B₄C陶瓷中引入TiB₂制备成导电复相陶瓷，可满足电火花加工（EDM）的要求，从而显著提高材料的加工效率并降低加工成本。一般而言，TiB₂含量需达到30 vol%左右才能满足EDM稳定加工的需求。尽管B₄C‒TiB₂复相陶瓷具有比单相B₄C陶瓷更高的致密度，更优的强度与韧性。但由于TiB₂比B₄C比重更大，本征硬度更低，TiB₂的加入也增加了材料的比重，降低了材料的硬度。因此，在保证高致密度和良好导电性能的前提下，降低B₄C‒TiB₂复相陶瓷中TiB₂相的比例，可进一步满足工业和军工领域对超轻、超硬材料的需求。

2、文章亮点

采用两步法结合放电等离子烧结（SPS），制备了TiB₂含量仅为15 vol%的B₄C‒TiB₂复相陶瓷，并通过原料粉体粒径的合理调配，实现了对复相陶瓷在力学性能和导电性能上的可控调节。

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B₄C–TiB₂复相陶瓷制备工艺及显微结构演变示意图

3、研究结果及结论

首先以TiC和B为原料，采用SPS加热制备了B₄C‒TiB₂复合粉体。结果表明，B₄C‒TiB₂复合粉体的粒径随原料粉体粒径的减小而减小，并且复合粉体保持与原料TiC粉体类似的形貌。

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图1 (a) B₄C–TiB₂复合粉体的XRD图谱，(b)~(d)为由不同粒径TiC制备复合粉体的晶粒尺寸分布，(e)、(g)和(i)是复合粉体的相应SEM图，(f)和(h)分别是图(e)和(g)的区域放大图

然后，将所制备复合粉体与商业B₄C粉体混合均匀后，采用SPS烧结制备了B₄C‒TiB₂复相陶瓷。由图2可知，通过调节原料粉体粒径，可以构筑具有不同显微结构的B₄C–TiB₂复相陶瓷，从而实现对复相陶瓷力学和电学性能的调控。

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图2 B₄C–TiB₂复相陶瓷抛光面的BSE图

根据图3，在烧结过程中，原料B₄C颗粒与B₄C‒TiB₂复合颗粒发生了基体晶粒选择性吸收生长，即B₄C大颗粒通过消耗B₄C‒TiB₂复合粉体中的B₄C小颗粒而发生晶粒长大。上述行为推动TiB₂小晶粒分布在B₄C大晶粒周围，形成了有利于导电的三维互连的TiB₂网络结构。

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图3基体晶粒选择性吸法收生长法构建导电网络的示意图

图4-6表明，当原料B₄C和TiC的粒径分别为3.12 μm和0.80 μm时，B₄C–TiB₂复相陶瓷具有最优异的力学性能，相对密度为99.86%，硬度为32.01 GPa，抗弯强度为827 MPa，断裂韧性为6.45 MPa·m^1/2。

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图4 B₄C–TiB₂复相陶瓷的硬度

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图5 B₄C–TiB₂复相陶瓷的抗弯强度

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图6 B₄C–TiB₂复相陶瓷的断裂韧性

由图7可知，B₄C–TiB₂复相陶瓷的电导率随着B₄C粒径的增大而增加，随着TiC粒径的增大而减小。当B₄C粒径为0.50 μm和3.12 μm时，TiC粒径对B₄C–TiB₂复相陶瓷电导率几乎没有影响。当B₄C粒径继续增加至10.29 μm时，复相陶瓷电导率大幅度增加，且随着TiC粒径的减小而增大。当原料B₄C和TiC的粒径分别为10.29 μm和0.05 μm时，复相陶瓷的电导率最高，可达4.25×10⁴ S/m。

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图7 B₄C–TiB₂复相陶瓷的电导率

由图8可知，采用EDM可以对所制备的B₄C–TiB₂复相陶瓷进行复杂形状加工，并且其加工效率可随复相陶瓷的电导率的增加而提高。

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图8 (a) 样品；(b)~(c) EDM加工后样品；(d) 样品的材料去除率

4、作者及研究团队简介

冉松林，安徽工业大学教授，博士生导师。2008.07博士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，2008.08-2010.08在比利时荷语鲁汶大学（KULeuven）从事博士后研究。主要研究方向为结构陶瓷功能化、非氧化物结构陶瓷、固废综合利用等。主持国家自然科学基金项目3项，省部级项目7项；以第一或通讯作者发表SCI论文70余篇；以第一发明人获授权中国发明专利13项，美国发明专利1项。担任《陶瓷学报》、《稀有金属》等期刊青年编委，SCI期刊materials客座编辑（Guest Editor），多种学术期刊审稿人，获The American Ceramic Society期刊Outstanding Journal Reviewer，Ceramics International期刊Outstanding Contribution in Reviewing。

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊简介

Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊是由中华人民共和国教育部主管、清华大学出版社主办、清华大学出版社出版的国际学术期刊。2022年期刊影响因子为16.9，在SCI“材料科学：陶瓷”分类的28本期刊中排名第1。本刊就此成为SCI“材料科学：陶瓷”分类中首个影响因子突破15.0的期刊。