【摘 要】
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在军事科技飞速发展的同时,各种杀伤力强的武器层出不穷,作战人员以及武器装备收到的威胁日趋严重。发展高硬度、高强度、高韧性、低密度的防护材料不仅是现代战争中不可或缺的生存之本,更是国家长治久安的重要军事保障。TiB2陶瓷兼具高硬度、高耐磨性与高抗压强度等诸多优良特性,广泛应用于高温高压、易腐蚀等恶劣环境中。其陶瓷基复合材料近年来更是成为装甲防护材料领域的重要发展方向之一。科研工作者对TiB2基陶瓷的
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在军事科技飞速发展的同时,各种杀伤力强的武器层出不穷,作战人员以及武器装备收到的威胁日趋严重。发展高硬度、高强度、高韧性、低密度的防护材料不仅是现代战争中不可或缺的生存之本,更是国家长治久安的重要军事保障。TiB2陶瓷兼具高硬度、高耐磨性与高抗压强度等诸多优良特性,广泛应用于高温高压、易腐蚀等恶劣环境中。其陶瓷基复合材料近年来更是成为装甲防护材料领域的重要发展方向之一。科研工作者对TiB2基陶瓷的研究多集中在静态力学性能方面。关于TiB2基陶瓷的动态力学性能,尤其是在冲击载荷下的破碎行为方面的研究还相对较少。作为装甲防护等特殊用途的TiB2基陶瓷,通过实验提高其强韧性,研究其动态力学性能可为装甲防护领域提供基础数据,对提高装甲防护具有重要的军用价值和指导意义。本文主要以TiB2粉体为基体,添加B4C粉体、Si CW为增强相,通过热压和SPS分别制备TiB2-B4C和TiB2-B4C-Si CW陶瓷。同时对陶瓷微观形貌和力学性能的分析,探究了B4C和Si CW含量对TiB2-B4C和TiB2-B4C-Si CW陶瓷微观组织和力学性能的影响。并结合TiB2基陶瓷相关应用背景,进行了以抗侵彻性能和SHPB试验为基础的动态力学性能探究,其相关结论如下:(1)热压烧结制备的TiB2-B4C陶瓷因为B4C加入,能有效细化晶粒、促进微观组织致密化,提高力学性能。当B4C添加量为20 wt.%时,TiB2-B4C陶瓷拥有相对较好的综合性能,维氏硬度、断裂韧性和弯曲强度的值分别为27.63±1.73 GPa,4.77±0.06MPa.m1/2,612.5±28.78 MPa。Si CW能进一步细化微观组织,提高TiB2-B4C-Si CW陶瓷复合材料的致密程度及力学性能,提升复合材料性能的稳定性。当Si CW添加量为6 wt.%时,TiB2-B4C-Si CW陶瓷复合材料机械性能综合性最优,相对密度、维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性值分别为99.96%,19.79±0.73 GPa,724±60.54 MPa,6.7±0.34 MPa·m1/2。(2)放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简写为SPS)能快速制备TiB2-B4C和TiB2-B4C-Si CW陶瓷,B4C作为第二相能明显改善烧结性能,有效促进致密化的同时也能抑制晶粒异常生长。当B4C添加量为10 wt.%时,TiB2-B4C陶瓷拥有相对较好的综合性能,维氏硬度、断裂韧性和弯曲强度值分别是24.65±0.66 GPa,3.16 MPa·m1/2,730.65±74.11 MPa。相比于热压烧结,其维氏硬度和断裂韧性值较低,但弯曲强度值提高。Si CW能与TiB2粉体表面的氧化物反应,改善烧结性能,提高陶瓷致密,此过程会有极少量的Ti C生成。同时,在冷却过程中各物质因热膨胀系数不同而产生微裂纹,微裂纹会通过裂纹偏转、裂纹分枝等方式在向前传播,在此过程中会在一定程度上延长裂纹传播的路径,更多的能量被消耗,从而提高TiB2-B4C-Si CW陶瓷的断裂韧性。Si CW的加入也提高了弯曲强度,进一步提高了陶瓷力学性能稳定性。当Si C晶须添加量为6wt.%时,TiB2-B4C-Si CW陶瓷复合材料综合性能相对较优,其相对密度、维氏硬度、弯曲强度、断裂韧性值分别是99.7%,20.32±0.87 GPa,618.42±61.03 MPa,7.11±0.4MPa·m1/2。(3)在抗侵彻性能实验中,通过分析可知:TiB2-20 wt.%B4C陶瓷与单相TiB2陶瓷抗侵彻性均优于单相B4C陶瓷。(4)在SHPB试验中,不同形状的波形会对应试件不同的破坏程度,试件的“破碎”和“粉碎”分别对应试件波形图的“单峰”和“双峰”;试件受到杆冲击的速度越大,试件破坏程度越严重。
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