Ni多孔复合材料的制备及性能

B4C/Ni多孔复合材料的制备及性能

杨 林，刘 颖，杨文锋，李德安，李 军，高升吉

(四川大学材料科学与工程学院,成都 610065)

摘要 采用粉末冶金法制备了B4C/Ni多孔复合材料。对制得的试样进行了扫描电镜(SEM)观察和抗压强度的测试，并计算得出了试样的孔隙度。分析结果表明，复合材料的孔隙度随烧结温度的升高而下降；抗压强度随孔隙度的下降而增大；并且复合材料中镍含量越高材料抗压强度越大。根据后续浸渗金属液体的要求，此多孔复合材料要达到高孔隙度、较高强度和较高硼含量等指标。所以综合分析结果和后续要求最终确定了最佳体积百分含量为碳化硼15%、镍55%、造孔剂碳酸钠30%和最佳烧结温度800℃。

关键词 碳化硼 镍 多孔 复合材料

Preparation and Properties of B4C/Ni Porous Composites

YANG Lin，LIU Ying，YANG Wenfeng，LI Dean，LI Jun，GAO Shengji

(College of Material Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065)

Abstract B4C/Ni porous composites are prepared by powder metallurgy. The specimens are observed by SEM and their compressive strength and porosity are measured. The results show that the higher the sintering temperature is, the lower the porosity is. At the same time the compressive strength descends. While the compressive strength increases with the increasing of the Ni particle volume fraction.With the demand of high porosity, higher compressive strength and higher volume fraction of boron in the later experiment the optimal components are obtained:15% B4C, 55%Ni,and 30%Na2CO3(vol%).The optimal sintering temperature is 800℃.

Key words boron carbide, nickel, porosity, composites

0 引言

制备金属基复合材料的一种主要的方法是液相浸渗法。该方法是通过不同的途径使熔体浸入固体多孔预制体来达到制备复合材料的目的。根据熔体浸入多孔预制体方式的不同可以将液相浸渗法分为以下3类：(1)真空吸铸法；(2)压力

2]

渗透法；(3)无压浸渗法[1，。国外对多孔SiC及多孔Al2O3/SiC

预制体浸渗金属Al和多孔碳材料浸渗SiC均有报道[3

～8]

。

碳化硼的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，近年来越来越受到人们的关注。碳化硼可以作为增强相与金属复合制成金属基复合材料，这种复合材料具有硬度和韧性俱佳的优点，可用作结构材料。现在比较广泛的被用作基体的金属有铜和铝等，硅一般作为添加元素来提高基体与碳化硼之间的润湿性

[9，10]

图1 表面包敷镍的碳化硼颗粒SEM照片

Fig.1 SEM micrograph of boron carbide particles coated

by nickel

1.2 多孔体的制备

(1) 粉末的混合 将一定配比的碳化硼粉末、镍粉与

造孔剂放入研钵中，加入适量无水乙醇进行湿混，待搅均匀后将其放入烘箱在80℃下烘干，烘干过程中每隔5min对混合粉末进行1次搅拌。

。碳化硼增强金属基复合材料也可以通过液相浸

渗法获得，但是用碳化硼制成的多孔预制体强度较低，且与大多数金属液体的润湿性较差。因此为了克服这两方面的不足，可以在制备多孔预制体时加入金属粉末(如Ni)制成多孔复合材料

[7,8]

。本文主要介绍这种多孔复合材料的制备以及其

性能的测试和研究。

(2) 模压成型 用φ=10mm的模具将烘干的混合粉末

压制成型，用限位块控制每个压坯的高度，计算每种配比下混合粉末的理论密度进而控制其装入量使每种配比下压坯的实际密度为其理论值的1/2。

1 实验

1.1 原材料

实验采用牡丹江金刚钻公司生产的碳化硼粉末，粒度为3～8μm。采用成都中核实业有限公司生产的羰基镍粉，粒度为2.8～3.2μm。造孔剂采用碳酸纳粉末。另外为了使B4C/Ni界面结合得更稳固，对碳化硼粉末进行了气相沉积包敷镍的处理。处理后的SEM照片见图1，图中较大的不规则颗粒为碳化硼，圆形的小颗粒为碳化硼表面包敷的镍。 杨林：男，硕士研究生 E-mail:george123456@sina.com

(3) 烧结 将制得的压坯放入真空管式炉中进行烧结，

温度范围750～1000℃。时间3.5～4.5h。

(4) 水解 将烧结后的试样进行水解除去造孔剂，得到

的B4C/Ni多孔骨架作为浸渗金属液体的预制体。

1.3 测试

用JEOL JSM-5900LV型扫描电镜对试样进行形貌观察；

·32· 材料导报网刊 2006年5月第3期 在AUTOGRARH AG-10TA型综合力学性能试验机上测定抗压强度，试样尺寸（直径×高）为10mm×7.4mm，加载速度为2mm/min；孔隙度可以通过公式(1)计算

θ=

m2−m1

m×100% (1) 2

式中：θ为预制体孔隙度；m1为预制体实际质量；m2为同体积预制体材料的理论质量。

2 结果和讨论

2.1 温度与孔隙度的关系

粉末的烧结一般可以分为粘结、烧结颈长大和闭孔隙球化缩小等3个阶段。图2是球形粉末烧结的示意图，仅用来做一般规律性的描述。图2中a表示球形粉末颗粒的规则堆集体；b为4个彼此接近的球形粉末颗粒横截面放大图，粉末间只是一种机械接触；c为粘结阶段，颗粒间的原始接触点或面转变成晶体结合，形成烧结颈；d为烧结颈长大阶段，原子向颗粒结合面的大量迁移使烧结颈扩大，颗粒间距离缩小，形成连续的孔隙网络，这一阶段烧结体收缩，密度和强度都有所增加[11]。

图2 球形粉末颗粒的烧结 Fig.2 Sintering of round particles

采用体积百分含量分别为碳化硼10.7%,镍24.6%,碳酸钠.7%的混合粉末制成的试样在750℃、800℃、850℃下烧结；采用体积比为1：1的碳化硼和镍混合粉末(未加造孔剂)制成的试样在840℃、900℃、1000℃下烧结。分别比较这两个配比中温度对孔隙度的影响，结果见表1。其中θA代表第一种成分下的孔隙度，θB代表第二种成分下的孔隙度。

表1 不同烧结温度下两种试样的孔隙度 Table 1 Two series of porosities at two different sintering

temperatures

T,℃

θA,% T,℃

θB,%

750 80.3 840 55.0 800 77.7 900 .1 850 74.5 1000 53.7 从表1可以看出，随着温度的升高，试样的孔隙度有所下降。因为烧结系统自由能的降低是烧结过程的原动力[11]，所以烧结过程中会伴有颗粒结合面（烧结颈）的增大和颗粒表面平直化，以及粉体的总比表面积和总表面自由能减少；同时烧结体内孔隙的总体积和总比表面积减少，烧结体会在

一定程度上收缩。烧结过程中在热力学上总是有自由能进一步降低的趋势，直观表现就是烧结颈的长大和孔隙度的降低。但在一定温度下有可能只满足热力学条件而不能满足动力学条件；当温度升高达到动力学条件后自由能及孔隙度就会进一步降低，从而出现孔隙度随温度升高而下降的情况。

2.2 孔隙度与抗压强度的关系

采用体积比碳化硼︰镍=3︰11的混合粉末，控制造孔剂的加入量并在800℃下烧结以得到不同孔隙度的试样，测量这些试样的抗压强度，比较孔隙度对抗压强度的影响。抗压强度与孔隙度曲线见图3。

图3 抗压强度与孔隙度曲线

Fig.3 Curves of compressive strength and porosity 图3中上方曲线代表孔隙度随造孔剂加入量的增加而变化的趋势，其中造孔剂的体积百分含量达到50%时试样的孔隙度达到最高值，而后由于试样产生比较严重的收缩孔隙度又呈下降的趋势，当造孔剂的百分含量达到65%时试样的孔隙度达到最低值，随后又有所上升。图3下方曲线代表试样抗压强度的变化情况，从图中可以清楚地看到抗压强度与孔隙度呈反向变化，即孔隙度越高抗压强度越低，孔隙度越低抗压强度越高。这一规律所反映的趋势也符合克努德森（Knudesn）发现的强度σ与粒度D和孔隙度θ的经验关系：

σ=kD−ae−bθ (2)

式中：k、a、b为经验常数[12]。本次试验采用了同一粒度范围的碳化硼粉末和镍粉末，所以k、a、b和D均可视为常值，即：

σ=Ae−tθ (3)

其中A、t为常数。上式可大致反映抗压强度与孔隙度呈反向变化这一规律。

2.3 混合粉末配比与抗压强度的关系

在孔隙度一定的情况下比较3个烧结温度下镍含量的高低对多孔体抗压强度的影响，见表2，其中pL代表低镍含量

试样的抗压强度；pH代表高镍含量试样的抗压强度。 表2 3个温度下不同镍含量试样的抗压强度 Table 2 Compressive strength of preforms sintered at three different temperatures with different volume fraction of nickel

T，℃

pL，MPa pH，MPa

840 5.6 15.0 900 6.9 21.6 1000 10.5 34.1

33·B4C/Ni多孔复合材料的制备及性能/杨 林等 ··31·

从表2可见镍含量高的试样抗压强度更大。本次试验的烧结温度均在1000℃之下，故复合材料中只有镍可以烧结，并且镍作为粘结相将碳化硼固定在多孔复合材料中。当镍含量较高时，由于镍粉末之间的烧结形成烧结颈进而可以将碳化硼完全包裹住，外围的镍又与碳化硼表面包敷的镍烧结在一起，最终形成一个强度较高的镍骨架，碳化硼作为增强相分散其中；但如果镍的含量较低则不能形成完整的镍骨架，有部分甚至绝大部分碳化硼粉末不能被完全包裹住，而由于烧结温度的和对孔隙度的要求，碳化硼粉末之间不可能烧结在一起，所以低镍含量试样的抗压强度就会比较低。图4是两种镍含量试样的SEM照片。如图4(a)所示，由于镍含量较低，碳化硼颗粒只是松散地结合在一起，镍颗粒之间也没有烧结形成烧结颈，试样整体强度就比较低；而从图4(b)中可以看出，高镍含量试样中已经形成多孔骨架，镍颗粒之间由于烧结而粘结在一起，碳化硼颗粒被镍骨架完全包敷，烧结颈已经形成，故试样整体强度有所增加。

(a)

(b)

图4 高低两种镍含量预制体的SEM照片 Fig.4 SEM micrographs of two preforms

2.4 关于最佳配比和烧结温度的讨论

根据后续浸渗金属液体实验的要求，多孔预制体的孔隙度要达到70%左右；多孔体的强度要尽量高但又要保证一定的硼含量；烧结后的试样尺寸要尽可能与烧结前的尺寸保持一致，烧结过程应尽量减少或避免各物相间的反应。综合以上因素多孔预制体的最佳体积百分含量确定为碳化硼15%，镍55%，造孔剂碳酸钠30%；最佳烧结温度为800℃。

3 结论

通过粉末冶金法制备了B4C/Ni多孔复合材料。材料的孔隙度随烧结温度的升高而下降；抗压强度随孔隙度的下降而增大；并且镍含量的升高有助于材料强度的增大。结合各

影响因素及后续实验要求得出多孔预制体最佳体积百分含量为碳化硼15%，镍55%，造孔剂碳酸钠30%；最佳烧结温度为800℃。

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