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(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料的反应热压烧结及其力学性能

作　者: 崔磊
导　师: 王玉金
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: (ZrB2-ZrO2)/BN复合材料 反应热压烧结 组织结构 力学性能 摩擦磨损机理
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


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4.2 MPa?m1/2。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、4.2 MPa?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/(N?m)。(ZrB2-ZrO2)/BN复合材料的磨损机制主要为磨粒磨损。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章 绪 论  11-29
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 薄带钢连铸侧封板材料研究进展  12-15
    1.2.1 国外研究应用现状  12-13
    1.2.2 国内研究应用现状  13-14
    1.2.3 国内侧封板材质在使用中存在的问题  14-15
  1.3 氮化硼及其复合材料研究进展  15-19
    1.3.1 氮化硼性质  15-16
    1.3.2 含氮化硼复合材料  16-17
    1.3.3 氮化硼陶瓷材料的致密化行为  17-19
    1.3.4 含氮化硼陶瓷在钢铁工业中的应用  19
  1.4 反应热压烧结研究进展  19-25
    1.4.1 反应热压烧结中反应体系的选择要求  20
    1.4.2 反应热压烧结硼化锆系材料  20-22
    1.4.3 氮化硼系陶瓷反应烧结  22-25
  1.5 陶瓷材料摩擦磨损性能  25-28
    1.5.1 陶瓷材料摩擦磨损机理  25-27
    1.5.2 含BN复合材料摩擦磨损性能  27-28
  1.6 本文研究的目的和主要内容  28-29
    1.6.1 本文研究的目的  28
    1.6.2 本文主要研究内容  28-29
第2章 试验材料与研究方法  29-36
  2.1 试验用原材料  29-31
    2.1.1 BN粉  29-30
    2.1.2 ZrO_2 粉  30
    2.1.3 B_4C粉  30-31
    2.1.4 石墨粉  31
  2.2 复合材料的制备工艺  31-33
  2.3 材料组织结构分析方法  33-34
    2.3.1 密度的测试  33
    2.3.2 XRD物相分析  33
    2.3.3 SEM观察  33-34
    2.3.4 TEM观察  34
  2.4 材料力学性能测试方法  34-35
    2.4.1 弯曲强度和弹性模量的测试  34-35
    2.4.2 断裂韧性测定  35
    2.4.3 维氏硬度测定  35
  2.5 摩擦磨损试验方法  35-36
第3章 ZrB_2/BN复合材料烧结助剂与烧结温度优化  36-53
  3.1 前言  36-37
  3.2 反应体系及反应途径的设计与优化  37-39
    3.2.1 不同反应体系的热力学计算  37-38
    3.2.2 不同反应体系烧结产物物相分析  38-39
  3.3 烧结助剂对复合材料组织结构与力学性能的影响  39-45
    3.3.1 烧结助剂对复合材料物相的影响  39-40
    3.3.2 烧结助剂对复合材料致密度的影响  40-42
    3.3.3 烧结助剂对复合材料组织结构的影响  42
    3.3.4 烧结助剂对复合材料力学性能的影响  42-45
  3.4 烧结温度对复合材料组织结构与力学性能的影响  45-52
    3.4.1 烧结温度对ZrB_2/BN复合材料物相的影响  45-46
    3.4.2 烧结温度对复合材料致密度的影响  46-47
    3.4.3 烧结温度对复合材料的组织结构的影响  47-49
    3.4.4 烧结温度对ZrB_2/BN复合材料力学性能的影响  49-52
  3.5 本章小结  52-53
第4章 ZrB_2 与ZrO_2 比例对(ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料组织结构与力学性能的影响  53-63
  4.1 引言  53
  4.2 ZrB_2与ZrO_2比例对(ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料组织结构的影响  53-57
    4.2.1 ZrB_2与ZrO_2比例对(ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料物相的影响  53-54
    4.2.2 ZrB_2与ZrO_2比例对(ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料致密度的影响  54-55
    4.2.3 ZrB_2与ZrO_2比例对(ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料组织结构的影响  55-57
  4.3 ZrB_2与ZrO_2比例对(ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料力学性能的影响  57-62
    4.3.1 ZrB_2与ZrO_2比例对(ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料维氏硬度的影响  57
    4.3.2 ZrB_2与ZrO_2比例(ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料抗弯强度的影响  57-60
    4.3.3 ZrB_2与ZrO_2比例对(ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料弹性模量的影响  60
    4.3.4 ZrB_2与ZrO_2比例对(ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料断裂韧性的影响  60-62
  4.4 本章小结  62-63
第5章 (ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料的摩擦磨损性能  63-75
  5.1 前言  63
  5.2 载荷对(ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料摩擦磨性能的影响  63-68
    5.2.1 载荷对摩擦系数的影响  63-65
    5.2.2 载荷对体积磨损率的影响  65
    5.2.3 载荷对磨痕微观形貌的影响  65-68
  5.3 滑动速率对(ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料摩擦磨损性能的影响  68-70
    5.3.1 滑动速率对摩擦系数的影响  68-69
    5.3.2 滑动速率对体积磨损率的影响  69
    5.3.3 滑动速率对磨痕微观形貌的影响  69-70
  5.4 (ZrB_2-ZrO_2)/BN复合材料的摩擦磨损性能  70-73
    5.4.1 ZrB_2 与ZrO_2 比例对摩擦系数的影响  70-71
    5.4.2 ZrB_2 与ZrO_2 比例对体积磨损率的影响  71-72
    5.4.3 ZrB_2 与ZrO_2 比例对磨痕微观形貌的影响  72-73
  5.5 摩擦磨损机理的探讨  73-74
  5.6 本章小结  74-75
结论  75-76
参考文献  76-82
致谢  82

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 非金属复合材料
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