碳化硼 (B4C) 陶瓷因其低密度、高熔点、高硬度、高化学稳定性、优异的耐磨性和良好的中子吸收能力等优良特性，在航空航天、军事、核能等领域具有巨大的应用潜力。然而，B4C 陶瓷的断裂韧性较差，且其强共价键导致扩散系数低，难以通过传统的无压烧结实现致密化。尽管添加烧结助剂如铝、钛、氧化铝、氧化锆和碳化钛硅等可以提高 B4C 的烧结性和断裂韧性，但即使使用碳化钛硅，通过传统无压烧结获得致密的 B4C 基陶瓷仍需要 2200°C 的高温烧结 1 小时，效率低下且能耗高。热压烧结可以降低烧结温度和烧结时间，但传统热压烧结的加热和冷却速率低，烧结时间仍然较长，效率低且能耗高。火花等离子烧结可以进一步降低烧结温度和烧结时间，但所需的电流很高，导致能耗巨大。因此，开发一种能够在低温下快速致密化 B4C 基陶瓷的新方法具有重要的意义。
1. 新型超快速压力烧结 (UPS) 技术: 该技术利用直接焦耳加热，通过石墨毡产生高温，在较低温度下实现 B4C 基复合材料的快速致密化。
2. 低温、快速致密化: 相比于传统烧结方法，UPS 技术可以将烧结温度降低至 1550°C，并将烧结时间缩短至 2 分钟以内，大大提高了烧结效率和降低了能耗。
3. 瞬态液相的形成和作用: B4C 和 TiSi2 之间的反应形成了 TiSi2-Si 共晶液相，该液相作为润滑剂，降低了 B4C 颗粒之间的摩擦，促进了颗粒重排和致密化。
4. 压力引导的颗粒重排: 压力的作用进一步促进了颗粒重排，并引导液相填充孔隙，从而实现了样品的快速致密化。
5. 力学性能的提升: 通过 UPS 技术制备的 B4C-TiB2-SiC 复合材料，其弹性模量和断裂韧性显著提高，主要归因于 TiB2 相的加入和裂纹偏转效应。
图1展示了超快速压力烧结 (UPS) 设备的结构示意图、石墨毡的结构、典型的烧结和压力曲线，以及 UPS 过程中的典型照片。UPS 设备主要由石墨毡、BN 块、样品和压头组成。石墨毡作为加热元件，通过直接焦耳加热产生高温。BN 块用于保护样品免受污染，并传递压力。样品放置在 BN 块之间，并通过压头施加压力。图1(a) 中的石墨毡中心区域被切割成开放柱状空间，形成高电阻区域，从而产生集中的焦耳加热区域。图1(b) 显示了石墨毡的结构，包括中心凹陷区域和分割的开放柱状空间。图1(c) 展示了典型的烧结和压力曲线，样品以 150°C/min 的速率加热至 1550°C，并在 30 MPa 的压力下维持 2 分钟。图1(d) 显示了 UPS 过程中的典型照片，包括样品在石墨毡中的位置和 BN 块的连接。
图2展示了不同烧结条件下制备的样品的抛光表面光学显微照片。图2(a1-a4) 显示了在不同压力下烧结的 B4C-18 vol% TiSi2 样品的显微结构。随着压力的增加，样品的相对密度显著提高，在 30 MPa 压力下，样品几乎完全致密。图2(b1-b4) 显示了在不同 TiSi2 含量下烧结的样品的显微结构。随着 TiSi2 含量的增加，样品的相对密度也显著提高，在 18 vol% TiSi2 含量下，样品几乎完全致密。
图3展示了烧结样品的微观结构和成分分析结果。图3(a) 是烧结样品的扫描电镜 (SEM) 照片，显示了样品的致密结构和细小的孔隙。图3(b) 是样品的 SEM 照片和相应的元素分布图，表明样品中存在 B4C、SiC 和 TiB2 相。图3(c) 是 TiSi2 粉末、B4C 粉末和烧结样品的 X 射线衍射 (XRD) 图谱，证实了样品中存在 B4C、SiC 和 TiB2 相，且 TiSi2 已经完全反应。
图4展示了烧结样品的高分辨率微观结构和成分分析结果。图4(a) 是烧结样品的透射电镜 (TEM) 照片，显示了样品的细小晶粒和晶界。图4(b) 是图4(a) 的局部放大图，展示了样品中 B4C、SiC 和 TiB2 相的晶粒形态。图4(c-h) 是样品的选区电子衍射 (SAED) 图谱和高分辨率透射电镜 (HRTEM) 照片，进一步证实了样品中存在 B4C、SiC 和 TiB2 相，并揭示了它们的晶格结构。
图5展示了 B4C-18 vol% TiSi2 样品的差示扫描量热 (DSC) 曲线、不同烧结阶段样品的 XRD 图谱和 SEM 照片，以及反应和致密化过程的示意图。图5(a) 的 DSC 曲线显示，在 660°C 和 1338°C 处分别存在放热峰和吸热峰，分别对应于 B4C 粉末的表面氧化和 TiSi2 与 Si 的共晶反应。图5(b) 的 XRD 图谱展示了不同烧结阶段样品的物相组成，证实了 TiSi2 与 B4C 之间的反应过程。图5(c-f) 的 SEM 照片和元素分布图展示了不同烧结阶段样品的微观结构和成分分布，揭示了 TiSi2-Si 共晶液相的形成和 B4C 颗粒的重排。图5(g) 的示意图展示了反应和致密化过程，包括固体接触反应、共晶反应、液相烧结和气相烧结等步骤。
图6展示了纯 B4C 和 B4C-TiB2-SiC 样品的维氏压痕和裂纹扩展情况。图6(a, b) 分别展示了纯 B4C 和 B4C-TiB2-SiC 样品的维氏压痕形貌。图6(a1, b1) 分别展示了纯 B4C 和 B4C-TiB2-SiC 样品的裂纹扩展路径。纯 B4C 样品的裂纹扩展路径相对笔直，而 B4C-TiB2-SiC 样品的裂纹扩展路径在相界面处发生偏转，这主要归因于 TiB2 相的加入和残余应力的影响。
文献信息：Yu Sun, Xiang-Yu Bai, Rui-Fen Guo, Ping Shen. Ultrafast pressure sintering of B4C-based composites via direct Joule heating. Journal of Materials Science & Technology, Volume 210,
2025, Pages 188-194, ISSN 1005-0302.
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.05.028.
超快高温焦耳热冲击技术推广
马弗炉、管式炉升温装置VS焦耳热升温装置
向上滑动阅览
Ultrarapid Nanomanufacturing of High‐Quality Bimetallic Anode Library toward Stable Potassium‐Ion Storage. Angewandte Chemie., 2023. DOI: 10.1002/anie.202303600
Ultrafast Non-Equilibrium Phase Transition Induced Twin Boundaries of Spinel Lithium Manganate, Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202302484
High-temperature shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles for catalysis. Chinese Journal of Catalysis, 2023. DIO: https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64428-6.
Rapid High-Temperature Liquid Shock Synthesis of High-Entropy Alloys for Hydrogen Evolution Reaction. ACS nano., 2024. DOI: 10.1021/acsnano.3c07703
Rapid, in Situ Synthesis of High Capacity Battery Anodes through High Temperature Radiation-Based Thermal Shock. Nano Letter 2016, 16 (9), 5553-5558. DOI:10. 1021/acs.nanolett.6b02096.
High-Temperature Shock Enabled Nanomanufacturing for Energy-Related Applications. Advanced Energy Materials 2020, 10 (33), DOI: 10. 1002/aenm.202001331.
公司官网：
https://www.zhongkejingyan.com.cn/
仪器信息网：
https://www.instrument.com.cn/netshow/SH118239/
