碳化硼铝基复合材料的制备及其力学性能的研究

摘要

核能作为高效、清洁、可持续利用的新型能源，日益受到关注。随着我国核电事业的飞速发展，核反应堆卸出的乏燃料日趋增多，开发一种乏燃料贮运用的高性能中子吸收材料已成为必然。目前，国内核电站所使用的中子吸收材料基本上都是进口的，因此，中子吸收材料的国产化已经成为亟需解决的问题。本文基于粉末冶金技术原理，分别采用冷压-真空烧结法和快速热压法制备中子吸收用B4C/Al复合材料，对冷压-真空烧结法和快速热压法的工艺过程进行探索和研究，并对最终制备的复合材料的物相组成、微观形貌和力学性能进行测试和分析，取得以下成果:　　(1)通过冷压-真空烧结法制备B4C/Al复合材料，在冷压过程中，压坯密度随着压制压力的增大而增大，压制过程符合经典压制方程的描述，尤以黄培云方程最为近似。在真空烧结过程中，烧结体密度随着真空烧结温度的升高而不断提高最终趋于平稳，随着真空烧结时间的延长而不断提高。在热轧过程中，复合材料的密度随热轧温度的升高而不断提高，最终趋于稳定。　　(2)冷压-真空烧结法制备的B4C/Al复合材料，其物相组成为B4C和Al两相，没有明显的缺陷相Al4C3生成。当碳化硼的含量为36wt％时，在400MPa下进行冷压成形，600℃、2h进行真空烧结，500℃进行道次热轧制备的复合材料致密度最高，达到98.13％，其抗弯强度为284MPa，硬度为71HB。复合材料的断裂方式既有铝合金基体的韧性撕裂，也有碳化硼颗粒的解理断裂，同时还包含着碳化硼颗粒与铝合金基体之间的界面脱粘，是多种断裂方式共同作用的结果。　　(3)采用快速热压法制备的B4C/Al复合材料，其物相组成为Al和B4C两相，B4C颗粒均匀地镶嵌在铝合金基体中，颗粒与基体之间界面结合紧密。复合材料的密度随预压制压力增大而增大，随B4C含量增加而降低，在热压压力和温度共同作用下，铝合金液充分填充压坯孔隙以实现高致密。当B4C含量（质量分数）为30％，在150MPa预压制，530℃、10MPa热压制备的复合材料相对密度最高，达到99.87％。经T6态热处理后，材料的硬度和抗弯强度均提高，分别达到123HB和394MPa，在T6热处理前材料的断裂方式是韧性断裂，在T6热处理后有向脆性断裂转变的趋势。　　(4)冷压-真空烧结法原材料利用率高，后续加工量少，生产成本低，但其工序较为复杂，需要后期致密化工艺，制备的材料尺寸较小，适用于形状精确的零部件生产。相较之下，快速热压法制备的复合材料组织更加致密，力学性能更高，且工艺更为简单，能耗更低，结合热轧工艺，可用于大尺寸板材的生产，但对该工艺热压模具有较高的要求。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 中子吸收原理概述

1．2．1 中子的定义及其分类

1．2．2 中子与材料的相互作用

1．2．3 中子吸收

1．3 中子吸收材料的种类

1．3．1 硼钢

1．3．2 硼铝合金

1．3．3 含硼有机聚合物

1．3．4 碳化硼／铝

1．4 碳化硼／铝复合材料的主要制备工艺

1．4．1 液态金属浸渗法

1．4．2 金属熔炼法

1．4．3 粉末冶金法

1．5 碳化硼／铝复合材料的研究进展

1．5．1 国外研究进展

1．5．2 国内研究进展

1．6 选题目的和研究内容

1．6．1 选题的目的

1．6．2 研究内容

第二章 实验过程和研究方法

2．1 实验原料

2．1．1 碳化硼粉

2．1．2 铝合金粉

2．2 实验仪器

2．3 碳化硼／铝复合材料的制备工艺路线

2．3．1 冷压-真空烧结法工艺路线

2．3．2 快速热压法工艺路线

2．4 性能测试与表征

2．4．1 物相分析

2．4．2 显微组织观察

2．4．3 密度的测试

2．4．4 硬度的测试

2．4．5 抗弯强度的测试

第三章 冷压-真空烧结法制备B4C／Al复合材料及力学性能研究

3．1 引言

3．2 冷压行为的研究

3．2．1 压制压力对压坯密度的影响

3．2．2 压制压力与压坯密度关系的解释

3．3 真空烧结行为的研究

3．3．1 真空烧结温度对烧结体密度的影响

3．3．2 真空烧结时间对烧结体密度的影响

3．4 热轧行为的研究

3．4．1 热轧温度对B4C／Al复合材料密度的影响

3．4．2 热轧对B4C／Al复合材料显微组织的改善

3．5 冷压-真空烧结法制备的复合材料的测试与分析

3．5．1 物相组成

3．5．2 硬度与抗弯强度

3．5．3 断裂方式

3．6 本章小结

第四章 快速热压法制备B4C／Al复合材料及力学性能研究

4．1 引言

4．2 快速热压工艺及碳化硼含量对复合材料密度的影响

4．2．1 预压制压力对复合材料密度的影响

4．2．2 碳化硼含量对复合材料密度的影响

4．2．3 热压行为的研究

4．3 快速热压法制备的复合材料的测试与分析

4．3．1 物相组成

4．3．2 硬度与抗弯强度

4．3．3 宏观形貌

4．4 T6热处理对复合材料力学性能的影响

4．4．1 T6热处理对微观组织的改善

4．4．2 T6热处理对硬度的影响

4．4．3 T6热处理对抗弯强度的影响

4．4．4 T6热处理前后试样断口形貌分析

4．5 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果