研究人员发现使用碳化硼超细粉体有利于碳化硼制品性能的提升

西班牙塞维利亚大学和英国牛津大学的研究人员近期发现，碳化硼陶瓷制品的晶粒度大小对制品的力学性能存在着显著的影响。

研究人员分别以起始平均粒径分别为0.5微米、0.2微米及0.04微米的碳化硼超细粉体为原料，在不使用添加剂的情况下，在1600-1800℃的温度范围内制备了致密度高于98-100%的碳化硼陶瓷制品。通过调控烧结工艺，所得制品的平均晶粒尺寸能在0.12~17微米之间得到调控（显微结构如图1所示）。

图1 不同晶粒度的碳化硼陶瓷制品抛光腐蚀面显微结构照片 图2给出了碳化硼陶瓷制品的测量施加载荷与经测量并考虑制品孔隙度的因素进行校正后得到的维氏硬度（HV）的关系。从图2可以看到，以不同测量载荷测试的致密碳化硼制品的维氏硬度大都在32GPa以上，最高能达到37GPa的水平。

图2 不同晶粒度的碳化硼陶瓷制品维氏硬度（HV）值随载荷及晶粒尺寸变化关系 进一步的分析还发现，碳化硼制品的维氏硬度与晶粒尺寸的负平方根值还存在线性关系，这就表明碳化硼与其他陶瓷材料一样，满足经典霍尔-佩奇（Hall-Petch）关系。霍尔-佩奇关系是金属与陶瓷材料的重要基础理论之一，说的是细化晶粒一直是改善多晶体材料强度的一种有效手段。根据位错理论,晶界是位错运动的障碍,在外力作用下,为了在相邻晶粒产生切变变形,晶界处必须产生足够大的应力集中,细化晶粒可以产生更多的晶界,如果晶界结构未发生变化,则需施加更大的外力才能产生位错塞积, 从而使材料强化。Hall-Petch 关系就是在位错塞积模型基础上导出的。

图3 不同晶粒尺寸的碳化硼维氏硬度与晶粒尺寸符合经典霍尔-佩奇（Hall-Petch）关系  根据陶瓷学的基本原理我们知道，陶瓷制品生产中所使用的粉体原料粒径越小、分布越窄，越有利于降低陶瓷的烧结温度、缩短烧结所需时间，从而得到晶粒细小的陶瓷制品，这就能获得优异的力学性能及其他综合性能。所以，对于碳化硼制品生产厂家来说，选择碳化硼超细粉体进行制品生产不但能降低生产成本，还能降低废品率并提高制品性能，有利于厂家自己技术与产品升级，提高产品在市场上的竞争能力。
研究报道原始出处：B. M.Moshtaghioun, et. al., Grain size dependence of hardness and fracture toughnessin pure near fully-dense boron carbide ceramics, Journal of the EuropeanCeramic Society, Volume 36, Issue 7, June 2016, Pages 1829–1834