纳米孪晶结构超硬B4C陶瓷的研究

A new nano-twinned crystal B4C ceramic material will be prepared by SPS or high pressure sintering with nano-twinned B4C powder (about 10 ~ 30nm) prepared by a chemical method. In order to prevent the B4C grains from growing up during the sintering process, a layer of TiO2 or other oxide film coating will be uniformly deposited on the surface of the nano-twinned B4C powder by the atomic layer deposition system ALD. The changes of microstructures and the densification of sintered compacts of uncoated/coated nano-twinned B4C powder during the SPS or high pressure sintering process will be studied respectively. The hardness, compressive strength, fracture toughness and oxidation resistance of B4C sintered compacts will be detected. The effect of nano-twinned thickness on the properties of nano-twinned B4C compacts will be studied. The structural characteristics of B4C block with high hardness and high toughness as well as the corresponding process parameters will be determined. The relationship between mechanical properties, oxidation resistance and microstructure of B4C bulk will be clarified. B4C ceramic materials with superhard, high toughness and high oxidation resistance wii be obtained. The formation mechanism of high density twinning in B4C nanometer powder particles and the microscopic mechanism of twinning on B4C strengthening will be revealed by the combination of the first principle and the molecular dynamics calculation and the transmission electron microscopy test.

本项目拟采用化学法制备纳米孪晶结构的B4C粉体(约10~30nm左右)为原料，经SPS或高压烧结后制备出新型纳米孪晶B4C陶瓷材料。为防止在烧结过程中B4C晶粒长大，用原子层沉积系统ALD在纳米孪晶B4C粉体的表面均匀沉积一层TiO2或其它氧化物薄膜涂层。分别研究无涂层/有涂层纳米孪晶B4C粉体在SPS或高压烧结过程中组织结构变化和烧结体致密化规律，测定B4C烧结体块材的硬度、压缩强度、断裂韧性和抗氧化性能等特性，研究纳米孪晶厚度对纳米孪晶B4C块材性能的影响规律；确定出具有高硬度、高韧性B4C块材的组织结构特征以及相应的工艺参数，阐明B4C块材力学性能、抗氧化性能与其微观结构的关系，获得具有超硬、高韧性和高抗氧化性能的B4C陶瓷材料。采用第一性原理和分子动力学计算与透射电镜测试分析相结合，揭示B4C纳米粉体颗粒中高密度孪晶的形成机理和孪晶对B4C强化的微观机理。

碳化硼（B4C）是一种重要的结构陶瓷材料，在轻质装甲、反应堆中子吸收剂、航空航天、电子信息等方面获得了广泛的应用。然而，B4C的韧性和强度仍然不能满足在实际应用中日益增长的需求，这主要是由于其组织粗大、缺陷多、致密度不高所致。能否进一步提高B4C陶瓷的性能并在工程中得到更广泛的应用取决于以下基本问题的解决：烧结体的致密化、硬度和断裂韧性的同时提高。.本项目采用碳热还原法合成了一种新的碳包裹的碳化硼纳米孪晶粉体，平均粒径约为100nm，碳层厚度约为2nm。对不同碳含量的碳包裹纳米孪晶碳化硼粉体热稳定性做了研究，在保护气氛环境条件下有很好的热稳定性，可在1300℃的高温环境中使用，在空气中可在600℃以下稳定。测试不同碳含量的碳包裹碳化硼纳米粉体的吸波性能，发现硼碳比为1:1.25的原料具有最好的吸波性能，最强反射损耗强度为-60.9dB，反射损耗强度小于-20dB的频率范围为6.3-18GHz，厚度范围为1.3-3.0mm，这种轻质的碳包裹碳化硼纳米粉体具有作为高性能吸波材料应用的潜力。.采用碳热还原法并纯化处理制备了高纯纳米孪晶碳化硼粉体，纯度达到98.3%以上，使用sps方法制备了高致密的碳化硼块材，其维氏硬度为33.9GPa、断裂韧性为3.81MPa∙m1/2和高抗折强度554.7MPa，比商业获得碳化硼的硬度和强度分别提高了5.9%、23.3%。使用六面顶压机在高温高压条件下合成出纳米孪晶碳化硼陶瓷材料，其硬度、断裂韧性和杨氏模量分别达到了40GPa，4.1MP∙m1/2，506GPa，所制备的纳米孪晶碳化硼陶瓷块材的硬度和断裂韧性同时得到了提高，高于之前使用无压、热压、sps等方法制备的纯相碳化硼陶瓷材料。采用这种纳米孪晶结构的碳化硼粉体作为原料提高碳化硼块材的力学性能，对于制备高性能B4C陶瓷具有重要意义。.采用第一性原理对新型B-C、B-N和B-C-N化合物进行晶体结构设计，设计出具有超硬、超导的稳定结构，对这些结构的能带结构、电子态密度和力学性质等进行了理论计算。.发表本项目资助号标注的学术论文6篇，申请专利2项，培养博士研究生6人，其中毕业4人；培养硕士研究生3人。