(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料的反应热压烧结及其力学性能

摘要

本文以h-BN粉、ZrO2粉、B4C粉（或B2O3粉）和C粉为原料，采用反应热压烧结工艺成功制备了(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料，并采用了X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等分析手段和三点弯曲、单边切口梁法等测试方法，系统研究了烧结助剂、烧结温度以及ZrB2与ZrO2比例对复合材料组织结构和力学性能的影响规律。以GCr15钢球为对磨副，探讨了载荷、滑动速率以及ZrB2与ZrO2比例对复合材料摩擦系数与磨损率的影响规律，初步揭示了复合材料的摩擦磨损机制。
　　以B4C为硼源，按照方程式2ZrO2+B4C+3C=2ZrB2+CO可以获得所需要的复合材料，而以B2O3为硼源时，由于烧结过程中B2O3的挥发，不能得到设计成分的复合材料。
　　与不添加烧结助剂和添加单一烧结助剂SiO2相比，采用8％SiO2+2%X二元烧结助剂，可以实现复合材料的致密化。添加二元烧结助剂，采用1800℃/90min/30MPa烧结工艺制备的ZrB2/BN复合材料的致密度可达96.9%，而不添加烧结助剂和只添加SiO2烧结助剂的复合材料的致密度仅为88%和84%。
　　ZrB2/BN复合材料的致密度随烧结温度的降低而下降，而力学性能则随烧结温度的降低而提高。在1800℃与1600℃烧结的ZrB2/BN复合材料的相对密度分别为96.5%和95.2%。1600℃烧结的ZrB2/BN复合材料的维氏硬度、弹性模量、抗弯强度和断裂韧性分别为1.63GPa、120GPa、286MPa和4.2MPam1/2。降低烧结温度有利于减小BN片层与第二相颗粒尺寸，起到细晶强化作用。
　　35vol%(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料的力学性能随ZrB2与ZrO2比例的减小先增大后减小，ZrB2:ZrO2=2.5:1时，复合材料的综合力学性能最佳，维氏硬度、弹性模量、抗弯强度、断裂韧性分别达到1.74GPa、118GPa、291MPa、4.2MPa?m1/2。
　　(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料的摩擦系数与磨损率随载荷、滑动速率的提高而增大。随ZrB2与ZrO2比例的降低，复合材料的摩擦系数与磨损率增大，尤其是增强相全部为ZrO2时，磨损率达到5×10-5mm3/(N2m)。(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料的磨损机制主要为磨粒磨损。

目录

（ZrB2-ZrO2)/BN复合材料的反应热压烧结及其力学性能

REACTIVE HOT-PRESSING AND MECHANICAL PROPERTIES OF (ZrB2-ZrO2)/BN COMPOSITES

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 薄带钢连铸侧封板材料研究进展

1.2.1 国外研究应用现状

1.2.2 国内研究应用现状

1.2.3 国内侧封板材质在使用中存在的问题

1.3 氮化硼及其复合材料研究进展

1.3.1 氮化硼性质

1.3.2 含氮化硼复合材料

1.3.3 氮化硼陶瓷材料的致密化行为

1.3.4 含氮化硼陶瓷在钢铁工业中的应用

1.4 反应热压烧结研究进展

1.4.1 反应热压烧结中反应体系的选择要求

1.4.2 反应热压烧结硼化锆系材料

1.4.3 氮化硼系陶瓷反应烧结

1.5 陶瓷材料摩擦磨损性能

1.5.1 陶瓷材料摩擦磨损机理

1.5.2 含BN复合材料摩擦磨损性能

1.6 本文研究的目的和主要内容

1.6.1 本文研究的目的

1.6.2 本文主要研究内容

第2章 试验材料与研究方法

2.1 试验用原材料

2.1.1 BN粉

2.1.2 ZrO2粉

2.1.3 B4C粉

2.1.4 石墨粉

2.2 复合材料的制备工艺

2.3 材料组织结构分析方法

2.3.1 密度的测试

2.3.2 XRD物相分析

2.3.3 SEM观察

2.3.4 TEM观察

2.4 材料力学性能测试方法

2.4.1 弯曲强度和弹性模量的测试

2.4.2 断裂韧性测定

2.4.3 维氏硬度测定

2.5 摩擦磨损试验方法

第3章 ZrB2/BN 复合材料烧结助剂与烧结温度优化

3.1 前言

3.2 反应体系及反应途径的设计与优化

3.2.1 不同反应体系的热力学计算

3.2.2 不同反应体系烧结产物物相分析

3.3 烧结助剂对复合材料组织结构与力学性能的影响

3.3.1 烧结助剂对复合材料物相的影响

3.3.2 烧结助剂对复合材料致密度的影响

3.3.3 烧结助剂对复合材料组织结构的影响

3.3.4 烧结助剂对复合材料力学性能的影响

3.4 烧结温度对复合材料组织结构与力学性能的影响

3.4.1 烧结温度对ZrB2/BN复合材料物相的影响

3.4.2 烧结温度对复合材料致密度的影响

3.4.3 烧结温度对复合材料的组织结构的影响

3.4.4 烧结温度对ZrB2/BN复合材料力学性能的影响

3.5 本章小结

第4章 ZrB2 与ZrO2 比例对(ZrB2-ZrO2)/BN 复合材

4.1 引言

4.2 ZrB2与ZrO2比例对(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料组织结构的影响

4.2.1 ZrB2与ZrO2比例对(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料物相的影响

4.2.2 ZrB2与ZrO2比例对(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料致密度的影响

4.2.3 ZrB2与ZrO2比例对(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料组织结构的影响

4.3 ZrB2与ZrO2比例对(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料力学性能的影响

4.3.1 ZrB2与ZrO2比例对(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料维氏硬度的影响

4.3.2 ZrB2与ZrO2比例(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料抗弯强度的影响

4.3.3 ZrB2与ZrO2比例对(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料弹性模量的影响

4.3.4 ZrB2与ZrO2比例对(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料断裂韧性的影响

4.4 本章小结

第5章 (ZrB2-ZrO2)/BN 复合材料的摩擦磨损性能

5.1 前言

5.2 载荷对(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料摩擦磨性能的影响

5.2.1 载荷对摩擦系数的影响

5.2.2 载荷对体积磨损率的影响

5.2.3 载荷对磨痕微观形貌的影响

5.3 滑动速率对(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料摩擦磨损性能的影响

5.3.1 滑动速率对摩擦系数的影响

5.3.2 滑动速率对体积磨损率的影响

5.3.3 滑动速率对磨痕微观形貌的影响

5.4(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料的摩擦磨损性能

5.4.1 ZrB2与ZrO2比例对摩擦系数的影响

5.4.2 ZrB2与ZrO2比例对体积磨损率的影响

5.4.3 ZrB2与ZrO2比例对磨痕微观形貌的影响

5.5 摩擦磨损机理的探讨

5.6 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢