论文总字数：17610字

摘 要

碳化硼（B₄C）具有高熔点、高硬度、高耐磨性、低密度、抗酸碱腐蚀等诸多优良性能，而且具有热中子吸收能力，因此可被广泛应用于耐火材料、轻质装甲、航空航天等领域。但是它作为陶瓷具有很大脆性，断裂韧性比较低，这严重限制的碳化硼的广泛应用。因此，提升碳化硼陶瓷的断裂韧性是一个具有重要意义的课题。大量研究表明：石墨烯可以大大提高碳化硼陶瓷的断裂韧性。许多学者用两者的粉体进行烧结，也有的采用叠层的方法进行制备，取得了一定进展，但仍有一些局限性。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的二维衍生材料，同样具有跟石墨烯一样优秀的性能。本文决定选用氧化石墨烯并用微叠层的方法对碳化硼进行增韧，通过流延法制备了碳化硼薄层以及氧化石墨烯-碳化硼薄层（每片薄层厚度低于200μm）并交叉叠层，用放电等离子烧结（SPS）方法共烧，完成了氧化石墨烯增强的碳化硼陶瓷制备。当B₄C含量为40wt%时流延出的碳化硼薄层效果最好，GO含量为8wt%-20wt%时流延出的GO-B₄C薄层效果较好。最后制备出的陶瓷可在扫描电镜下看到清晰的叠层现象。

关键词：碳化硼；氧化石墨烯；叠层；SPS

Abstract

Boron carbide (B₄C) has many excellent properties, such as high melting point, high hardness, high wear resistance, low density, acid and alkali corrosion resistance, and has thermal neutron absorption capacity, so it can be widely used in refractories, light armor, aerospace and other fields. However, as a kind of ceramics, it has great brittleness and low fracture toughness, which seriously limits the wide application of boron carbide. Therefore, it is of great significance to improve the fracture toughness of boron carbide ceramics. A large number of studies show that graphene can greatly improve the fracture toughness of boron carbide ceramics. Many scholars use their powders to sinter, and some use the method of lamination to prepare. Some progress has been made, but there are still some limitations. Graphene oxide (GO) is a two-dimensional derivative material of graphene, which has the same excellent properties as graphene. In this paper, we decided to use graphene oxide and micro lamination method to toughen boron carbide. The thin layer of boron carbide and graphene oxide boron carbide (the thickness of each thin layer is less than 200 μm) were prepared by casting method and cross lamination. The preparation of graphene oxide reinforced boron carbide ceramics was completed by spark plasma sintering (SPS) method. When the content of B₄C is 40wt%, the effect of the thin layer of boron carbide is the best. When the content of go is 8wt% - 20wt%, the effect of the thin layer of GO-B₄C is better. The final ceramics can be seen clearly laminated under SEM.

Key Words：boron carbide；Graphene oxide；Lamination；SPS

目 录

第1章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 碳化硼陶瓷 1

1.2.1 碳化硼的结构 1

1.2.2 碳化硼具备的性能 1

1.3 氧化石墨烯（GO） 3

1.3.1 氧化石墨烯的结构 3

1.3.2 氧化石墨烯的性能 3

1.4 陶瓷主要增韧方法及选择 3

1.4.1 一般增韧方法 3

1.4.2 层状复合结构增韧 3

1.4.2 利用氧化石墨烯增韧的原理 3

1.5 碳化陶瓷主要烧结方法及选择 4

1.5.1 热压烧结（HPS） 5

1.5.2 热等静压烧结（HIP） 5

1.4.2 放电等离子烧结（SPS） 5

1.6 国内外对碳化硼陶瓷的研究情况 5

第2章 实验方法以及过程 7

2.1 实验原料及设备 7

2.2 碳化硼薄膜及碳化硼/氧化石墨烯薄膜的制备 7

2.2.1 利用PVB溶液作为粘结剂的较为失败的试验 7

2.2.2 利用PVA溶液作为粘结剂制备流延膜 8

2.3 B₄C-GO膜的制备 10

2.4 叠层装模及排胶处理 10

2.5 用SPS进行烧结 11

第3章 实验结果 11

3.1 SEM观察分析 11

第4章 结论 14

参考文献 15

致谢 16

第1章 绪论

1.1 前言

碳化硼（B₄C）在工程应用中是一种非常重要的材料。它在1858年被人们无意中发现，直至1883年被Joly成功制备，并被标记为B₆C，但碳化硼化合物的结构和具体成分还不被人们所了解，有人猜测它由一系列化合物组成（如BC2和B₁₆C）^[1]。经过多年的结构分析，在1934年，组成B₄C这一唯一稳定的碳硼化合物被Ridgeway提出。经过多年研究发现，碳化硼陶瓷具有十分优异的性能，但其同其他陶瓷一样的脆硬特性大大限制了它的应用，人们通过改变烧结方法和烧结条件以及添加其他物质做成复合材料等途径对碳化硼陶瓷进行改性，希望增加碳化硼陶瓷的韧性。

石墨烯是目前已知强度最高材料之一，最初由Andre Geim和Konstantin Novoselov用一种非常简单的机械方法得到，其具有高强度以及良好的韧性，可以弯曲，固有拉伸强度可达130GPa^[2,3]。石墨烯因很大的范德华力具有容易团聚、疏水的特性^[4]。曹宇臣等研究表明，由石墨烯薄片做成的石墨纸会含有很多的孔，使得石墨纸很脆，而经氧化得到氧化石墨烯的在做成石墨纸时会非常坚固强韧。所以本文尝试采用氧化石墨烯（GO）对碳化硼陶瓷进行改性^[5]。

1.2 碳化硼陶瓷

1.2.1 碳化硼的结构

在当今的观点中，碳化硼陶瓷是以B₄C为主相的材料，B₄C的晶体结构为斜方六面体，菱形结构，晶格是D_3d⁵R-3m空间点阵^[7]。每个晶胞中含有12个硼原子和3个碳原子。晶胞中碳原子构成的链按立体对角线配置，在斜方六面体的角上分布着硼的正十二面体，在最长的对角线上有3个硼原子，碳原子很容易全部或部分取代这3个硼原子，形成一些列的不同化学计量比的化合物。当碳原子取代了3个硼原子时，形成严格化学计量比的B₄C，当碳原子取代2个硼原子时，形成B₁₂C₂等^[8,9]。因此，B₄C是由相互间以共价键相连的12个原子（B₁₁C）组成的二十面体群以及二十面体之间的C-B-C原子链构成的，而B₁₃C₂是由B₁₁C组成的二十面体和B-B-C链组成的。由于B、C原子在二十面体及其之间的原子链内的相互取代，使得B₄C的含碳量可以在一个范围（8.82wt%-20wt%）内变化。

1.2.2 碳化硼具备的性能

在160多年的历史中，人们对碳化硼陶瓷具备的性能做了大量探索工作^{[11,12,13,14]}。

下表1.1总结了碳化硼陶瓷的主要性质。

表1.1 碳化硼陶瓷的主要性质

1. 密度、硬度以及耐磨性

由于B和C在元素周期表中处于第二周期的位置，相对分子质量比较小，在结构方面堆积相对较紧密，所以B₄C的密度相对较低，大约为2.52g·cm^-3 ，以下公式是在密度和含碳量在均相区内的关系：

请支付后下载全文，论文总字数：17610字

相关图片展示：