低成本B4C-SiC-Si复合材料的净尺寸制备、组织与性能

With respect to the fabrication of clear dimensional low-cost B4C-SiC-Si composite materials, this project comes up with for the first time the issue of harnessing the reaction between B4C and silicon, together with the strengthening effects by the residue silicon. Based on the thermodynamic analysis and dynamic calculations, this project is aimed to find a way to control both the reactions between B4C and silicon and the volumetric proportions of the residue silicon, and the underlying principle and methods in strengthening the free silicon as well. To accomplish this, several important issues need to addressed, including the encapsulation of the B4C with carbon, control over the reaction between B4C and silicon, adjustment in the volume density of the body, dynamics of the melt infiltration of silicon, the toughening mechanism of the residue silicon, and the microstructures and interface analysis. In practice, this project will not only pave the way for the fabrication of a new kind of high-performance bulletproof B4C-based B4C-SiC-Si composite ceramics, but also contribute theoretically to their application.

针对低成本B4C-SiC-Si复合材料的净尺寸制备、组织和性能，首次提出控制B4C与Si的反应和残留Si强化等问题。项目从对B-Si-C的热力学分析和动力学计算入手，通过研究B4C表面包覆C的方法、B4C与Si反应的控制问题、坯体体积密度的调控问题、熔渗Si动力学、残留Si强化机理以及材料的显微组织、微观结构和相界面，找出控制B4C与Si反应的途径和降低残留Si的体积分数、残留Si强化的原理和方法，为制备性能优良的B4C-SiC-Si新型碳化硼防弹材料以及其生产和应用奠定理论基础。

碳化硼(B4C)材料因具有高硬度、低密度，在军工防护领域具有广泛的应用前景。基于渗Si法制备B4C复合材料具有制备成本低和烧结前后无收缩等优点。但在制备复合材料的过程中，B4C主相因与Si液反应而大量损耗，且材料中存在大量残留Si，限制了这一材料的推广应用。本项目针对这些问题，研究了B4C表面包覆C的方法、B4C与Si反应的控制问题、坯体体积密度的调控问题、熔渗Si动力学、残留Si强化机理以及材料的显微组织、微观结构和相界面，找出了控制B4C与Si反应的途径和降低残留Si的体积分数、残留Si强化的原理和方法。项目的研究对于提高该材料的性能和净尺寸制备性能优良的低成本防弹材料具有重要的理论意义和使用价值。项目取得的主要结果为：(1)碳化硼与液态Si的反应机理为溶解沉淀机理。碳化硼与Si液的反应过程为：Si先夺取碳化硼中C，生成SiC和B12(C,Si,B)3；随后B12(C,Si,B)3溶解于Si液中，含B、C的过饱和Si液在冷却过程中又析出SiC、SiB6和B12(C,Si,B)3。(2) 采用化学气相沉积法利用CH3SiCl3可制备出SiC包覆的B4C-SiC复合粉体；采用酚醛树脂为碳源，可制备出C包覆的B4C-C复合粉体；包覆的C层和SiC层可有效控制B4C与Si反应。采用酚醛树脂为碳源，复合材料中生成了大量纳米SiC颗粒，复合材料维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为23 GPa、442 MPa和4.9 MPa•m1/2。通过B4C颗粒级配，残留Si的量可控制在10 vol.%以下。(3) 随熔渗温度的增加，复合材料中碳化硼含量降低而SiC含量增加；当熔渗温度为1600 ℃时，复合材料开口气孔率、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为0.09 %、19 GPa、344 MPa和3.8 MPa•m1/2。(4) 以TiO2为添加相，通过两步反应控制可在B4C-SiC-Si复合材料中引入TiB2对游离Si进行强化；当TiB2含量为20 wt.%时，复合材料维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为23 GPa、445 MPa和4.5 MPa•m1/2。(5) 选用低毒性的间苯二酚/甲醛新型凝胶体系进行凝胶注模成形制备具有等级孔结构的B4C/C素坯，当碳含量为16wt%时，复合材料维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为24 GPa、452MPa和4.3 MPa•m1/2。