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(yīng)用于防輻射、原子反應(yīng)堆控制及屏蔽等核安全領(lǐng)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(lǐng)域的應(yīng)用中，針對該類材料的低溫?zé)Y(jié)力學(xué)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(shè)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(xué)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(yīng)粉體的表面活化能，進而在低溫?zé)Y(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(shè)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(fù)合材料。該復(fù)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(guān)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(shù)，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(fù)合粉體，合成燒結(jié)助劑均勻包裹碳化硼的核殼結(jié)構(gòu)：和。通過后續(xù)的脈沖電流燒結(jié)設(shè)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(fù)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(shè)備表征了該材料的力學(xué)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(dǎo)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(fù)合材料的力學(xué)性能。其中，B4C(18wt.%)-Al3BC復(fù)合材料的相對密度達100%，并具有優(yōu)異的力學(xué)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(fù)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(xué)性能外，還具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能（電導(dǎo)率，熱導(dǎo)率33W/mK），完全滿足后期的電火花切割加工的要求。相關(guān)工作已發(fā)表于陶瓷領(lǐng)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(xué)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(fù)合材料