（材料学专业论文）碳化硼陶瓷及其摩擦学研究.pdf

能超过12 7 3k ：预氧化时白j 以o 5 1h 为宜。经10 7 3k 预氧化处理lh 的碳 化硼自摩擦副，摩擦系数可从初始时的o ，2 一o 3 降低至0 0 4 0 0 5 ，其形成的润 滑膜稳定性良好。 考察了b 4 c - s i c 自摩擦副以及b 4 c 、b 4 c s i c 4 5 4 钢摩擦副的摩擦磨损 性能。结果表明，在b 4 c s i c 材料中，随着s i c 含量的增高，材料的自摩擦 系数增大，磨损率也有所升高。b 4 c 、b 4 c s i c 4 5 4 钢摩擦副的摩擦系数随着 滑行距离和滑行速度的增加而增大，b 4 c 、b 4 c s i c 的磨损率远小于4 5 “钢 相对应的磨损率。用预氧化法使b 4 c s i c 材料表面生成一层b 2 0 3 h 3 8 0 3 润 滑膜能降低b 4 c s i c 的摩擦系数。 首次将纳米摩擦学研究方法用于碳化硼材料的摩擦、磨损研究。用原子 力摩擦力显微镜对碳化硼样品进行表面形貌的微观分析，发现所用碳化硼材 料材质均匀致密，磨样加工方法正确，制得的样品表面平整。在载荷为1 州一6 p n 下，研究了s i 3 n 4 探针扫描碳化硼表面时摩擦力的分布，结果表明，摩擦 力的变化与扫描处的试样表面形貌有关，表面形貌变化斜率越大处，摩擦力 增加得越多。由于试样较平整，摩擦力的分布也是比较均匀的。碳化硼材料 的纳米摩擦系数远远小于宏观摩擦系数，且纳米摩擦系数随载荷的增加而显 著增加，随后用点接触显微镜在纳米尺度上研究了碳化硼材料的磨损特性。 研究结果表明，未经氧化的碳化硼试样，耐磨性能很好，而经过预氧化处理 的碳化硼试样，磨损深度远远大于未经氧化的试样。两者的磨损深度均随载 荷的增加而显著增加，而与扫描速度无明显关系。未经氧化的碳化硼试样的 磨损深度随磨损次数的增加线性增加，说明其在纵向上的结构是均匀的；经 氧化处理的碳化硼试样的磨损深度随磨损次数的增加呈现两段的线性关系， 可推断表层的h 3 8 0 3 膜厚度约为1 2 0 1 4 0 r l i i l 。 关键词：碳化硼陶瓷摩擦学碳化硅纳米摩擦学 a b s t r a c t b o r o nc a r b i d ei sak i n do fs p e c i a lc e r 砌i c sw i t ho u t s t a n d i n gp r o p e n i e su s e di n a 埘d er a n g eo fi n d u s t r i a l 印p l i c a t i o i l s 0 n eo fi t sv e r yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si sa s g a sb e 撕n gm a t e r i a li ng y r om o t o l i th a sb e e nf o u n dm a tt h et r i b o l o g yp r o p e r t yo f b o r o nc a r b i d ei st h ek e y 协n u e n c i n gf 缸t o ro fl i f e s p a na n dp r e c i s i o no f g a sb e a r i n g t h er e s e a r c hh a sw o r k e dc o m p r e h e n s i v e l ya n dd e e p l yo nt 1 1 ef r i c t i o na n dw e a r c h a r a c t e r i s t i c so fb o r o nc a r b i d es e l f m a t e dp a i lt l r o u g ht h er e s e a r c h ，t h et r i b o l o g y b e h a v i o ro fb o r o nc a r b i d es e l f _ m a t e dd a i r 肌di t ss e l f _ l u b “c a n tm e c h a n i s mh a v e b e e nl e a r n e db a s i c a l l y f u 确e m o r e ，a j le 舭c t i v em e t l l o do fd e c r e a s i n gt l l e 衔c t i o n c o e m c i e n to fb o r o nc a r b i d es e l f - m a t e dp a i ri sp m p o s e d t h er e s u l t sa c q u i r e dw i l l p l a yap o s i t i v er 0 1 ei nr a i s i n gt h el i f 色一s p a na n dp r e c i s i o no f t h eg a sb e a r i n g ，a n di n p r o m o t i n ga i l d “t e n d i n g 1 ea p p l i c “o no f b o r o n c a r b i d ei na v i a t i o n ，a e r o s p a c ea 1 1 d n a v i g a t i o n mt h ep a p e r ，m em e a n s o fn a n ot r i b o l o g yi se m p l o y e d p r e l i m i n a r i l yf o r i n v e s t i g a t i o no ft h em i c r o 一曲0 1 0 9 i c a lb e h a v i o ro f b o r o nc a r b j d ec e r 岫i c ，w h j c h p e r f e c t s 如de n r i c h e st h ec o n t e n to f n a n ot r i b o l o g yr e s e a r c hs y s t e m f o rt h es a k eo f b o r o nc a r b i d em a 埘xc e m m i c sc a l lb eu s e da sa n t i 一翻c t i o nm a t e r j a l t h er e s e a f c hh a s c o n d u c t e d 血er e l a t i v e l y s y s t e m a t i cs t u d y o nt h e 行i c t i o na 1 1 dw e a rf b a t u r eo f b 4 c - s i cs e l f m a t e da n db 4 c ，b 4 c s i c4 5 ”s t e e l - m a t e dp 撕r 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u l t ss h o w e dt h a tt h ep r e o x i d i z a t i o nt e m p e m t u r es h o u l d n o tg ob e y o n dl2 7 3ka n dp r e o x i d i z a t i o n “m el a s t i n g0 5 - 1 ohw a ss u i t a b l e t h e f r i c t i o nc o e m c i e n to fb 4 cs e l f _ m a t e dp a i rp r e o x i d i z e d1ha tl0 7 3kw a sa sl o wa s 0 0 4 0 0 5 ，c o m p a r e dt ot h a to fb 4 c s e l f m a t e dp a i rw i m o u tp r e o x i d i z a t i o na sh i g h a so 2 一o 3 t h el u b r i c a n t6 l m p r o d u c e do nm e f r i c t i o ns u r f b l c e 、v a ss t a b l ee n o u g ha t e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n t r i b o i o g yb e h a v i o ro fb 4 c s i cs e i f m a t e dp a i ra n do fb 4 c s i cm a t e db y4 5 4 s t e e lp a i rw e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u i t ss h o w e d t h a tt l e 衔c t i o nc o e m c i e n t s ，a sw e l l a sw e a rr a t e s ，o fb 4 c s i cs e l f - m a t e dp a i ri n c r e a s e dw i t ht h es i cc o n t e mo ft h e b 4 c s i cm a t e r i a l t h ef r i c t i o nc o e m c i e n t so fb 4 c ，b 4 c s i cm a i e db y4 5 “s t e e lp a i r i n c r e a s e dw i t hs l i d i n gd i s t a n c ea n d s i i d i n gv e l o c i t y t h ew e a rr a t e so fb 4 c ，b 4 c s i c w e r em u c hl o w e rt h a l lt h a to fm a t i n gm a t e r i a l4 5 4s t e e l p i e o x i d i z a t i o nt r e a t m e n t c o u l da l s op r o d u c el u 嘶c a n tf i l m so n 衔c t i o ns u r f a c em e n t i o n e da b o v ea n dr e d u c e t h em c t i o nc o e 施c i e n t s t h er e s e a r c h e m p l o y e dp r e l i m i n a r i l y t h em e a n so fn a n o 廿i b o l o g y f o r i n v e s t j g a i j o n o ft h e m j c f 0 一喇b o l o g y b e h a v i o ro fb o m nc a r b i d e c e r a m j c t h e t o p o g r 印h i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o m nc a r b i d es 锄p l es u r f a c e sw e r ei n v e s t i g a t e d l v w i t i la t o m i cf o r c em i c m s c o p e 衔c t i o nf o r c em i c m s c o p e ( a f m f f m ) a st h er e s u l t s ， t 1 1 e s a m p l e s l l s e dw e r eo fg o o dc o n s o l i d a t i o na n dt 1 1 es u a c e so ft 1 1 e p o l i s h e d s a m p l e sw e r ee v e n t h ef r i c t i o n f o r c ed i s t r i b u t i o n so fs i 3 n 4t i ps c a n n i n go v e rt h e b o m nc a r b i d es u r f a c e sw e r ei n v e s t i g a t e da tl o a dl 州一6 州t h er e s u l t ss h o w e d t 1 1 a tf r j c t i o nf o r c ec h a n g e d 、v i mt 1 1 es u 唱eo fs u r f 如et o p o g r 印h yt h es t e e p e rs l o p e o fs u r f k et o p o g r a p h yl i n k e d 、衍t ht h eh i g h e rf r i c t i o nf o r c e f r i c t i o nf o r c e sw e r e a l m o s tu n i f o r ma tc e n a i nl o a ds i n c et h es u r f a c ew e r ee v e n t h en a l l ot r i b o i o g i c a l f r i c t i o nc o e m c i e n to fb o r o nc a r b i d ew a sm u c hl o w e rt | 1 a nt h em a c r o t r i b o l o g i c a lo n e ， a n dt h en a n ot m o l o g i c a lc o e m c i e n ti n c r e a s e dw i t ht 1 1 en o h n a ll o a dr i s i n g t h ew e a r c h a r a c t e r i s t i c so fb o r o nc a r b i d ew i t ha i l dw i t h o u to x i d i z a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e dw i t h p o i n t c o n t a c tm i c r o s c o p e ( p c m ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb o r o nc a r b i d e 、i t h o u t o x j d i z a t i o np o s s e s s e de x c e l l e n tw e a rr e s i s t a n tc a p a b i l i t y ，o nt h ec o n t r a r y w e a rd e p t h o fo x i d i z e ds a m p l ew a sf 打d e e p e rt h a nt h a to fw i t h o u to x i d i z a t i o no n e f o rb o m s a n l p l e s ，w i ma n dw i m o u to x i d i z a t i o n ，w e a rd e p t hi n c r e a s e dr e m a r k a b l y a st 1 1 e n o m l a li o a dr i s e n ，b u ts c a ns p e e dh a dn on o t a b l ee f f e c to nw e a rd e p t | 1 t h a tw e a r d e p t ho fw i t l l o u to x i d i z a t i o ns a m p l ei n c r e a s e dl i n e a r l yw i t hs c a nc y c l e si n c r e a s e d t 1 1 a tt h em a t e r i a lw a su n i f o r ml o n g i t u d i n a l l y t h er e l a t i o nb e t w e e n 血ew e a rd e p t h a j l ds c a j l c y c l e so no x i d i z e db o r o nc a r b i d es a m p l ei n f e r r e dt h a tt h em i c k n e s so f h 3 8 0 3f i l mw a sa b o u t1 2 0 1 4 0 啪 k e y w o r d s ：b o r o nc a r b i d e ，c e r 锄i c s ，m b 0 1 0 9 y ，s i l i c o nc a r b i d e ，n a j l om b 0 1 0 科 v 一! 塑查兰堕主兰些堡苎 前言 材料是人类文明的里程碑和科技成就的载体，2 0 世纪中叶以前人们往 往称能源、材料、交通是国民经济的三大支柱，而到了信息技术高度发达的 今天，则称能源、材料和信息是现代人类文明的三大支柱。无论怎样考虑， 材料总是不可或缺的要素。新材料是高新技术的先导及其产业化的保证。近 年来，随着科学技术的迅速发展，特别是电子技术、空间技术、计算机技术 的发展，对材料的性能提出各种新的要求，而某些陶瓷材料恰好能满足这些 要求，吸引人们对这类陶瓷进行了大量的研究开发，并形成了个新的材料 领域特种陶瓷。由于特种陶瓷性能独特、制作原料价廉量丰，近三十年 来受到世界各主要工业国家的重视，形成世界性的“陶瓷热”，并取得了很 大的进展。随着高新技术的发展，对特种陶瓷的需求越来越大，推动特种陶 瓷的制各和应用技术快速发展，特种陶瓷已成为本世纪最有发展前景的重要 新材料之一。 碳化硼是一种具有许多优良性能的重要的特种陶瓷，在许多领域得到了 广泛的应用。其最主要的用途是作为研磨材料，比如在其他硬质材料如硬质 合金、工程陶瓷的抛光、精研或粉碎过程作为磨料，取代金刚石磨料，可以 大大降低生产过程的成本。碳化硼的另一重要用途是通过粉末冶金技术制取 耐腐蚀、耐摩擦的碳化硼器件，以适应各种苛刻条件下对设备结构器件耐磨 抗蚀性能的要求。另外，根据碳化硼特殊的化学性能、电性能、核性能，分 别发展了各种具有特色的工业应用。随着我国经济建设的发展和国防实力的 不断增长，碳化硼材料的制备和应用技术的开发越来越重要。 碳化硼一个极重要的应用是作为陀螺仪动压马达的轴承材料，陀螺仪是 飞机、舰船、导弹、航天飞行器等运载体的惯性导航和惯性制导系统的极其 重要的敏感器。目前惯性技术已经成为衡量一个国家科技水平和军事实力的 重要标志之一，世界各工业技术强国都对此给予极大的重视并投入大量的人 力、物力进行开发研究。我国的惯性技术起步于二十世纪五十年代，从引进 仿制、改型提高到创新开发，经过了四十多年的历程，为今后的发展打下了 良好的基础，但与世界先进水平相比，差距仍然较大。我国的惯性技术要想 进入世界的先进行列，陀螺仪材料的改进是关键问题之一。碳化硼陀螺仪轴 承材料在国内外均已获得了成功应用，在使用过程中发现碳化硼的摩擦、磨 碳化硼陶瓷殷其摩擦学研究 损性能是影响陀螺仪使用寿命和精度的关键。然而目前国内外的研究工作 中，直接涉及碳化硼轴承摩擦、磨损问题的很少。所以，为了满足高精度陀 螺仪对轴承材料性能要求不断提高的需要，必须考察碳化硼材料的摩擦学特 性，进行摩擦学设计。在掌握其摩擦学规律的基础上，探寻降低碳化硼自摩 擦系数的方法和提高碳化硼气体动压轴承启停寿命的途径。 碳化硼与其他共价键化合物一样，较难获得致密的烧结体，除一些特殊 的场合，如微晶碳化硼气体轴承材料、原子能反应堆中用作中子吸收材料的 碳化硼块等以外，通常用添加烧结助剂或制成复合陶瓷的办法改善碳化硼的 烧结行为，获得更为廉价、实用的碳化硼制品。b 。c s i c 是一类重要的复合 陶瓷。它在降低碳化硼陶瓷烧结条件的同时，能较好地保持碳化硼陶瓷优异 的物理机械性能。研究b 。c s i c 陶瓷的自摩擦磨损性能以及它们与金属对偶 材料的摩擦磨损性能，对于进一步拓展作为减磨材料的碳化硼陶瓷的应用领 域是很有意义的。 摩擦学就其性质而占属于表面科学的范畴，其研究的对象是发生在摩擦 表面的微观动态行为与变化。纳米摩擦学于二十世纪八十年代末期在国际上 兴起，它提供了一种新的思维方式和研究模式，即从纳米尺度研究摩擦、磨 损与润滑，建立材料微观结构与宏观特性之间的关系，因此纳米摩擦学更加 符合摩擦学的研究规律。本文首次将原子力显微镜、摩擦力显微镜、点接触 显微镜等先进的纳米摩擦学测试手段用于研究碳化硼材料的纳米摩擦、磨损 性能，考察一些主要的变化因素对碳化硼材料纳米摩擦磨损行为的影响。同 时，原子力摩擦力显微镜可直观地反映碳化硼气体动压轴承表面形貌及摩 擦力分布状况，点接触显微镜则能直接反映碳化硼材料的微观磨损状况，可 以用来评价碳化硼材料的性能以及指导碳化硼气体动压轴承的表面加工。纳 米摩擦学的研究方法引入陶瓷材料的研究领域，对于从纳米尺度来表征陶瓷 材料的摩擦性能，推动新型陶瓷材料的研究开发具有积极意义。 中南大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 碳化硼一种重要的特种陶瓷 陶瓷是中国古代劳动人民的伟大发明之一。在材料的大家庭中，它远 比金属和塑料古老。在一个相当长的历史时期，陶瓷的发展主要靠工匠们技 艺的传授，陶瓷产品也主要是满足日用器皿和建筑材料的需要。近年来，由 于科学技术的迅速发展，特别是电子技术、空间技术、计算机技术的发展， 迫切需要有特殊性能的材料，而某些陶瓷恰恰能满足这类要求。因此，近三 四十年来，这类陶瓷得到了迅速的发展。这新发展起来的一类陶瓷，无论从 原料、工艺或性能上均与“传统陶瓷”有很大的差异，被称为“特种陶瓷”， 以区别于旧有的陶瓷或传统陶瓷。 由于特种陶瓷具有许多独特的性能，潜力很大，而且制作特种陶瓷的 主要原料在地球上储量丰富，容易得到，价格便宜，近二十年来各主要工业 国家都十分注重特种陶瓷的开发和研究，形成世界性的“陶瓷热”，并取得 了很大的进展。所以，特种陶瓷被誉为“万能陶瓷”，是2 1 世纪最有发展前 景的重要的新材料之一【2 】。 碳化硼就是一种有着许多优良性能的重要的特种陶瓷。 碳化硼这一化合物最早是在l8 5 8 年被发现的【”，然后j o l y 于18 8 3 年， m o i s s a f l 于1 8 9 4 年分别制备和认定了b ，c ，b 6 c 。化学计量分子式为b 4 c 的 化合物直到1 9 3 4 年方被认知【4 1 。随后，俄国学者提出了许多不同的碳硼化 合物分子式，但这些分子式未能得到确认。事实上，由b c 相图( 见图1 1 ) 可以看出，碳一硼化合物有一个从b 。c 到b c 的很宽的均相区p 6 】，在这 个均相区内的物质习惯上通称为碳化硼。从二十世纪五十年代起，人们对碳 化硼，尤其是对其结构、性能进行了大量的研究b 7 8 1 ，取得了大量的研究成 果，推动了碳化硼制各和应用技术的长足发展。 碳化硼具有一系列优良的性能，如密度低，理论密度仅为2 5 2 1 0 3 k m 3 【9 】；硬度高，碳化硼的莫氏硬度为9 3 ，显微硬度为5 5 6 7g p a ，是仅 次于金刚石和立方b n 的最硬材料l l 9 ”川；化学性质稳定，碳化硼在常温下 不与酸、碱和大多数无机化合物反应，仅在氢氟酸一硫酸、氢氟酸硝酸混合 物中有缓慢的腐蚀，是化学性质最稳定的化合物之一【1 2 ”。同时碳化硼还有 很强的吸收中子的能力4 l 。基于这些优良的特性，碳化硼在许多领域得到了 中南大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 碳化硼一种重要的特种陶瓷 陶瓷是中国古代劳动人民的伟大发明之一。在材料的大家庭中，它远 比金属和塑料古老。在一个相当长的历史时期，陶瓷的发展主要靠工匠们技 艺的传授，陶瓷产品也主要是满足日用器皿和建筑材料的需要。近年来，由 于科学技术的迅速发展，特别是电子技术、空间技术、计算机技术的发展， 迫切需要有特殊性能的材料，而某些陶瓷恰恰能满足这类要求。因此，近三 四十年来，这类陶瓷得到了迅速的发展。这新发展起来的一类陶瓷，无论从 原料、工艺或性能上均与“传统陶瓷”有很大的差异，被称为“特种陶瓷”， 以区别于旧有的陶瓷或传统陶瓷。 由于特种陶瓷具有许多独特的性能，潜力很大，而且制作特种陶瓷的 主要原料在地球上储量丰富，容易得到，价格便宜，近二十年来各主要工业 国家都十分注重特种陶瓷的开发和研究，形成世界性的“陶瓷热”，并取得 了很大的进展。所以，特种陶瓷被誉为“万能陶瓷”，是2 1 世纪最有发展前 景的重要的新材料之一【2 】。 碳化硼就是一种有着许多优良性能的重要的特种陶瓷。 碳化硼这一化合物最早是在l8 5 8 年被发现的【”，然后j o l y 于18 8 3 年， m o i s s a f l 于1 8 9 4 年分别制备和认定了b ，c ，b 6 c 。化学计量分子式为b 4 c 的 化合物直到1 9 3 4 年方被认知【4 1 。随后，俄国学者提出了许多不同的碳硼化 合物分子式，但这些分子式未能得到确认。事实上，由b c 相图( 见图1 1 ) 可以看出，碳一硼化合物有一个从b 。c 到b c 的很宽的均相区p 6 】，在这 个均相区内的物质习惯上通称为碳化硼。从二十世纪五十年代起，人们对碳 化硼，尤其是对其结构、性能进行了大量的研究b 7 8 1 ，取得了大量的研究成 果，推动了碳化硼制各和应用技术的长足发展。 碳化硼具有一系列优良的性能，如密度低，理论密度仅为2 5 2 1 0 3 k m 3 【9 】；硬度高，碳化硼的莫氏硬度为9 3 ，显微硬度为5 5 6 7g p a ，是仅 次于金刚石和立方b n 的最硬材料l l 9 ”川；化学性质稳定，碳化硼在常温下 不与酸、碱和大多数无机化合物反应，仅在氢氟酸一硫酸、氢氟酸硝酸混合 物中有缓慢的腐蚀，是化学性质最稳定的化合物之一【1 2 ”。同时碳化硼还有 很强的吸收中子的能力4 l 。基于这些优良的特性，碳化硼在许多领域得到了 一一：壁垡塑堕堡垒! ! 矍量兰塑壅 广泛的应用。 p b ￥ 碳原子，( 原子数分数) 图1 1b - c 相图p 】 f i g 1 1b o r o n c a f b o np h a 5 ed i a g r a m c 3 l ( 1 ) 碳化硼作为结构材料的应用f ”o “”j 这是碳化硼材料在工业上的最主要的应用领域。一方面，碳化硼被用 作磨料。从粒度为1u m 的粉末到直径为】0m m 的小球均有工业应用，例如 将碳化硼用作其他硬质材料如硬质合金、工程陶瓷的抛光、精研或粉碎过程 的研磨材料，取代原来使用的金刚石磨料，可以大大降低研磨过程的成本。 另一方面，通过粉末冶金的方法制取耐磨、耐腐蚀的碳化硼器件，在许多领 域取得了良好的应用效果。例如，碳化硼器件用作气动滑阀、热挤压模、原 子能发电厂冷却系统的轴颈轴承；用作陶瓷气体涡轮机中的耐腐蚀、耐摩擦 器件；喷砂嘴及高压喷水切割的喷嘴l 【8 l ：碳化硼还是长寿命陀螺仪中优异 的气体轴承材料i ”1 】9 】；由于碳化硼对铁水稳定、导热性好，可以用作机械工 业连续铸模；由于碳化硼材料能抗强酸腐蚀和抗磨损，可用作火箭液体发 动机燃料的流量变送器轴尖m 】。另外外敷碳化硼材料还可用作切削刀刃、 研钵、捣锤等。碳化硼还可用作直升飞机的轻质装甲、防弹背心等l 。 ( 2 ) 碳化硼作化学原料的应用”1 碳化硼粉受卤素活化，可用作钢或其他合金的硼化剂在钢表面渗硼，以 生成硼化铁薄层增强材料的强度和耐磨性m ”。碳化硼还可用作一些金属基 摩擦材料的非金属添加剂矧。在还原化合法制取硼化物粉束时，碳化硼作 为硼源，可制得t i b ：、z r b ：、c r b ：等粉末。称为制取粉末的“碳化硼法”f 2 6 。”。 4 中南大学博上学位论文 ( 3 ) 碳化硼的电性能应用 碳化硼，石墨热电偶 8 1 29 1 3 叫由石墨管、碳化硼棒以及二者之间的氮化硼衬 套组成。在惰性气体和真空中，使用温度高达22 0 0 。在6 0 0 22 0 0 之 间，电势差与温度线性关系良好。 ( 4 ) 碳化硼的核性能应用m ”1 在反应堆堆芯组件中，中子吸收材料( 控制棒、调节棒、事故棒、安 全棒、屏蔽棒) 是仅次于燃料元件的重要功能元件。碳化硼的中子吸收截面 高，吸收能谱宽，价格低，原料来源丰富，吸收中子后没有强的7 一射线二 次辐射，从而废料易于处理。因此碳化硼是一种重要的中子吸收材料。 ( 5 ) 碳化硼复合陶瓷 碳化硼是共价键很强的化合物，而且碳化硼的塑性很差，晶界移动阻 力很大，较难获得致密的烧结体，除一些特殊的场合，如微晶碳化硼气体动 压轴承材料、原子能反应堆中用作中子吸收材料的碳化硼块咀外，通常用添 加烧结助剂的方法改善碳化硼的烧结行为，获得更为廉价、实用的碳化硼制 品。另外，向碳化硼中添加较大量的碳化硅制成复合材料是提高烧结体密度 的有效途径。碳化硅本身有具有很好的力学和物理性能，包括高的比强度、 比模量、好的抗腐蚀和抗热冲击性、低的密度和热膨胀系数等1 2 。”，同时， 在元素周期表中，s i 的位置和b 、c 毗邻，因而性能上很相似。根据相似相 容原理，s i c 的存在会改善烧结扩散，促进碳化硼的烧结。余继红【”l 、b i n 胪”、 s c h w e t z 【3 6 1 等人在研究碳化硅陶瓷的烧结中发现，向碳化硅中添加适量的碳 化硼可获得更为致密的烧结体。可见，碳化硼、碳化硅在烧结过程中能相互 促进致密化进程。更为值得注意的是，b 。c s i c 复合陶瓷在降低碳化硼陶瓷 烧结条件的同时，能较好地保持碳化硼陶瓷优异的物理机械性能口”。b 。c s i c 陶瓷被认为是一种具有广泛应用前景的高温耐蚀、耐磨材料，已在工业喷嘴、 泵的密封咀及热挤压模等领域获得应用m 。”。 1 2 碳化硼轴承材料的研究概况 碳化硼一个极重要的应用是用作陀螺仪动压马达的轴承材料。陀螺仪是 敏感壳体相对于惯性空间角运动的装置，它的基本功能是用束敏感角位移和 角速度。在飞机、舰船、导弹、航天飞行器等运载体的惯性导航和惯性制导 系统中，陀螺仪是极其重要的敏感器。所谓惯性导航，就是直接利用加速度 中南大学博上学位论文 ( 3 ) 碳化硼的电性能应用 碳化硼，石墨热电偶 8 1 29 1 3 叫由石墨管、碳化硼棒以及二者之间的氮化硼衬 套组成。在惰性气体和真空中，使用温度高达22 0 0 。在6 0 0 22 0 0 之 间，电势差与温度线性关系良好。 ( 4 ) 碳化硼的核性能应用m ”1 在反应堆堆芯组件中，中子吸收材料( 控制棒、调节棒、事故棒、安 全棒、屏蔽棒) 是仅次于燃料元件的重要功能元件。碳化硼的中子吸收截面 高，吸收能谱宽，价格低，原料来源丰富，吸收中子后没有强的7 一射线二 次辐射，从而废料易于处理。因此碳化硼是一种重要的中子吸收材料。 ( 5 ) 碳化硼复合陶瓷 碳化硼是共价键很强的化合物，而且碳化硼的塑性很差，晶界移动阻 力很大，较难获得致密的烧结体，除一些特殊的场合，如微晶碳化硼气体动 压轴承材料、原子能反应堆中用作中子吸收材料的碳化硼块咀外，通常用添 加烧结助剂的方法改善碳化硼的烧结行为，获得更为廉价、实用的碳化硼制 品。另外，向碳化硼中添加较大量的碳化硅制成复合材料是提高烧结体密度 的有效途径。碳化硅本身有具有很好的力学和物理性能，包括高的比强度、 比模量、好的抗腐蚀和抗热冲击性、低的密度和热膨胀系数等1 2 。”，同时， 在元素周期表中，s i 的位置和b 、c 毗邻，因而性能上很相似。根据相似相 容原理，s i c 的存在会改善烧结扩散，促进碳化硼的烧结。余继红【”l 、b i n 胪”、 s c h w e t z 【3 6 1 等人在研究碳化硅陶瓷的烧结中发现，向碳化硅中添加适量的碳 化硼可获得更为致密的烧结体。可见，碳化硼、碳化硅在烧结过程中能相互 促进致密化进程。更为值得注意的是，b 。c s i c 复合陶瓷在降低碳化硼陶瓷 烧结条件的同时，能较好地保持碳化硼陶瓷优异的物理机械性能口”。b 。c s i c 陶瓷被认为是一种具有广泛应用前景的高温耐蚀、耐磨材料，已在工业喷嘴、 泵的密封咀及热挤压模等领域获得应用m 。”。 1 2 碳化硼轴承材料的研究概况 碳化硼一个极重要的应用是用作陀螺仪动压马达的轴承材料。陀螺仪是 敏感壳体相对于惯性空间角运动的装置，它的基本功能是用束敏感角位移和 角速度。在飞机、舰船、导弹、航天飞行器等运载体的惯性导航和惯性制导 系统中，陀螺仪是极其重要的敏感器。所谓惯性导航，就是直接利用加速度 碳化硼陶瓷及j 雎擦学研究 计测出运载体的运动加速度，经过数学计算，进而确定运载体的即时位置的 一种导航方法。实现这种导航定位计算所需的基准坐标系，则是由陀螺仪建 立的。所谓惯性制导系统则是惯性导航与自动控制的结合。惯性导航系统是 现代飞机、大型舰只和潜艇的一种重要导航设备，而惯性制导系统则成为地 一地战术导弹、战略导弹、巡航导弹和运载火箭的一种重要制导设备。尤其 是对体现国防尖端科学技术水平的三大战略武器洲际导弹、远程轰炸机 和核潜艇来说，如果没有精确可靠的惯性制导系统，就不可能发挥其应有的 战略威慑作用。当今，惯性技术业已成为衡量一个国家科技水平和军事实力 的重要标志之一，世界各工业技术强国都对此给予极大的重视和大力投资 【4 0 1 4 “。我国的惯性技术起步于5 0 年代，在短期内就生产出了各种类型的航 空陀螺仪、航海陀螺仪和战术导弹用陀螺仪。在此基础上，大力开展了各种 新型惯性敏感器和各种惯导系统的研制工作。经过多年艰苦不懈的努力，1 9 7 0 年以来，我国自行研制的惯性敏感器和惯性制导系统已在多种现代武器和技 术领域中获得成功的应用，为我国各种型号卫星准确入轨、洲际导弹精确命 中目标以及核潜艇和测量船的精确定位提供了强有力的技术保证h “4 2 1 4 “。 我国的惯性技术从引进仿制、改型提高到创新开发，经过了近4 0 年的 历程，为今后的发展打下了良好的基础。然而，我国的惯性技术要想进入世 界的先进行列，陀螺仪材料的改进研究仍然是一个关键问题。 碳化硼用作气浮陀螺轴承始于1 9 6 5 年英国史密斯仪表公司的7 0 0 系列 陀螺，取代了该公司的3 0 0 系列滚珠轴承速率陀螺。这种碳化硼轴承当时启 停已超过l o o0 0 0 次，转速达48 0 0r ，m i n ，经历了1 0 0g 的加速度冲击，寿 命达4 00 0 0h 以上】。二十世纪八十年代，在英国研制的“新型气体轴承 组装挠性接头捷联式动力调谐陀螺”中】，气体轴承的全部