菱面體結(jié)構(gòu)的碳化硼（B4C）是一種重要的工程材料，其硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，具有高硬度（>30GPa）、高模量、耐磨性好、低密度（2.52）、抗氧化性、耐酸堿性強，以及良好的中子吸收性能等特點。另外，由于硼元素的中子俘獲截面高，吸收能譜寬，含有同位素的熱中子截面高達4000Barn，且二次發(fā)射的射線能量較低，因此碳化硼結(jié)構(gòu)材料可被應用于防輻射、原子反應堆控制及屏蔽等核安全領域。然而，碳化硼材料的斷裂韌性低、燒結(jié)溫度高，對于其構(gòu)件成型和燒結(jié)都具有很高的挑戰(zhàn)；在面向核能領域的應用中，針對該類材料的低溫燒結(jié)力學增韌研究顯得十分重要。

　　碳化硼的常規(guī)燒結(jié)往往通過粉末冶金方法獲得，即通過球磨將原料充分均勻混合，之后通過脈沖電流燒結(jié)設備（如PECS/SPS）原位生成碳化硼與第二相，并形成精細的微觀織構(gòu)。在前期在與安徽工業(yè)大學冉松林教授團隊的合作中，寧波材料所團隊通過采用高能球磨的方式提升反應粉體的表面活化能，進而在低溫燒結(jié)方面取得了良好的效果（如碳化鈦和無定型硼（B）粉末經(jīng)球磨混合12h后，獲得高活性的混合粉體；之后采用SPS設備在1900°C/50MPa條件下原位燒結(jié)，獲得平均晶粒尺寸小于1微米的B4C(41vol%)-TiB2復合材料。該復合材料的相對密度達到97.9%、三點彎曲強度為891MPa、維氏硬度為28GPa，斷裂韌性為4.4）。相關工作已發(fā)表于Scripta Materialia，Journal of European Ceramic Society和Ceramics International上（Scripta Materialia 135 （2017） 15-18； Journal of European Ceramic Society 35 （2015）1107-1112 和Ceramics International 40 （2014） 15341-15344）。

　　近期，寧波材料所核能材料工程實驗室（籌）的研究人員進一步采用高溫熔鹽的技術，突破傳統(tǒng)的陶瓷球磨工藝效率低的難題，成功制備了亞微米級均勻分布的兩相復合粉體，合成燒結(jié)助劑均勻包裹碳化硼的核殼結(jié)構(gòu)：B₄C@Al₃BC和B₄C@TiC&TiB₂。通過后續(xù)的脈沖電流燒結(jié)設備，在相對低溫（1700°C）和45MPa的壓力條件下，成功制備了碳化硼復合材料。通過維氏硬度儀、納米壓痕儀和掃描電子顯微鏡等設備表征了該材料的力學性能和微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)第二相均勻分布于碳化硼晶界處。這其中，由于晶界處產(chǎn)生熱膨脹失配所導致的斷裂裂紋在晶界處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，斷裂模式由單一的穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚?沿晶混合斷裂模式，極大提高了碳化硼復合材料的力學性能。其中，B4C(18wt.%)-Al3BC復合材料的相對密度達100%，并具有優(yōu)異的力學性能（彈性模量495GPa、維氏硬度37GPa和斷裂韌性6.32）。而B4C(29.8vol%)-TiB2復合材料的相對密度達到了98.2%，維氏硬度為32.1GPa，斷裂韌性為4.38；并且，該材料除了具有優(yōu)異的力學性能外，還具有優(yōu)異的導電導熱性能（電導率，熱導率33W/mK），完全滿足后期的電火花切割加工的要求。相關工作已發(fā)表于陶瓷領域的主流期刊Journal of European Ceramic Society（2017，4524-4531）和Journal of American Ceramic Society上(2018, doi.org/10.1111/jace.15541)。

　　本項目受到國家自然科學基金重大研發(fā)計劃“先進核裂變能的燃料增殖與嬗變”（91426304）等基金的資助。

圖1 掃面電子顯微鏡顯示（a）原始碳化硼粉體，（b）和（c）燒結(jié)助劑均勻包裹碳化硼粉末，（d）-（f）元素面掃描分析

圖2 SPS燒結(jié)制備的晶界彌散增強的碳化硼復合材料