石墨烯/碳化硼纳米复合陶瓷的制备及其导电、增韧机理研究

As an important superhard ceramic material, the wide application of boron carbide (B4C) is limited by its poor sintering property, low toughness and poor machinability caused by its super hardness. The toughness as well as electrical conductivity of B4C based composite ceramics can be significantly improved by addition of graphene nanosheet of outstanding mechanical properties and electrical conductivity with retention of high hardness, which would suffice to enable electrical discharge machining (EDM). .To ensure the significant effect on improving toughness and electrical conductivity, GNS in B4C matrix must be distributed homogeneously with structure rarely destroyed. In this subject, nano-B4C powders will be synthesized by magnesiothermic reduction, and then treated by spark plasma sintering with dispersed GNS at a relatively low temperature to fabricate GNS/B4C nano-ceramics, in which GNS would be distributed homogeneously and seldom destroyed. .In this subject, the optimum synthesis technological conditions of nano-B4C powders will be determined. The influence of GNS addition and SPS process on the microstructure, mechanical properties and electrical conductivity of the composites will be researched. The toughening mechanism and conductive mechanism of the composites will be analyzed by SEM, TEM and Raman Spectroscopy.

碳化硼(B4C)是一种重要的超硬材料。难烧结、韧性差以及超高硬度导致的难加工等特性限制了B4C的广泛应用。石墨烯(GNS)具有优异的力学性能和电导率。将GNS加入B4C基体中，可以在保留B4C高硬度、显著提高韧性的同时极大地提高材料的电导率，使其适用于电火花加工(EDM)，从而改善B4C陶瓷的加工性能。.为保证GNS提高韧性和电导率的效果，必须使GNS在B4C基体中均匀分布且在烧结过程中结构不被破坏。本项目通过镁热还原法合成纳米B4C粉体，然后以纳米B4C和分散处理后的GNS为原料，利用放电等离子烧结(SPS)工艺，在较低温度制备出GNS分布均匀且结构完整的具有B4C纳米晶粒结构的GNS/B4C纳米陶瓷。.本项目主要研究纳米B4C粉体的合成工艺，分析GNS和SPS工艺对材料微观结构、力学性能和电导率的影响，并结合SEM、TEM和拉曼光谱等分析手段，对复合材料的强韧化机理和导电机理进行探讨。

在本项目的支持下，项目组主要研究了以下几项内容：.1.纳米碳化硼粉体的制备.获得纯度高、粒径单分散的纳米碳化硼粉体对于在较低温度制备高致密度、高力学性能的纳米碳化硼陶瓷制品至关重要。为了得到性能优异的纳米碳化硼粉体，本项目组从起始原料、合成工艺两方面进行了多项创新性的研究。主要包括：.(1)分别以石墨烯和酚醛树脂为碳源，利用对环境影响更小的碳热还原法制备超细碳化硼粉体。研究发现，无论石墨烯还是酚醛树脂，均能利用具有纳米尺度的片状碳结构，反应得到超细碳化硼粉体。其中，酚醛树脂在氧化硼蒸气的作用下呈现片状碳结构为首次发现。片状碳结构不易导致合成碳化硼粉体时的团聚现象，有利于提高碳化硼粉体的分散性和粒径的细化。.(2)在合成碳化硼粉体方面，本项目组更大的创新性在于首次引入气固反应工艺，从而避免了传统原料预混工艺导致的反应物分布不均匀的弊端。同时，实验结果表明，利用气固反应工艺能够显著降低碳化硼粉体的合成温度。.(3)为了充分利用气固反应工艺的优点，需要使用高比表面积的碳源。本项目组经过近一年的时间，成功地利用ZIF-8(一种MOFs材料)为碳源前驱体，制备出了纳米多孔碳，并且为了提高ZIF-8的产量，通过综合调控合成温度和原料配比，得到了较高产量且形貌优异的纳米ZIF-8粉体的合成工艺。.2.碳化硼陶瓷的SPS烧结及其性能研究.以市售的碳化硼粉体为原料，利用SPS烧结工艺，得到了力学性能比较优异的碳化硼陶瓷制品。通过在碳化硼粉体中添加石墨烯，制备出了能适用于电火花线切割加工的碳化硼陶瓷制品。.3.其他碳化物陶瓷粉体的合成工艺研究.利用已经取得的碳化硼超细粉体合成工艺方面的经验，本项目组逐步开展了碳化硅和碳化锆超细粉体的研究工作。由于碳化物粉体在国家军工领域具有重要的地位，本项目已取得的成果及今后的研究成果，将在高纯度、粒径单分散超细碳化物粉体制备方面做出较为重要的贡献。