氮化硼_莫来石复合陶瓷材料的制备及性能研究_刘孟
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化。从中可以看出： 随测试温度的升高，试样的热膨 胀系数均呈现先升高，后进入稳定期，但测试温度超
图 2 试样 B1 的 XＲD 图谱
结合图 2 和图 3 分析可知，颗粒状物质应为氮 化硼，针棒状物相为莫来石和刚玉相的混合物，而固 溶体则为赛隆相。在氮化硼－莫来石复合陶瓷材料 的 烧 结 过 程 中 ，莫 来 石 在 高 温 状 态 下 会 部 分 分 解 形 成 Al2 O3 和游离 SiO2 ，在 热 压 烧 结 过 程 中，Al2 O3 和
图 3 试样 B1 断面的显微形貌
综合分析最佳配比试样 B1 热压烧结后的力学 性 能 、相 组 成 以 及 显 微 结 构 ，可 推 断 所 制 备 氮 化 硼 － 莫来石复合陶瓷材料有希望用作双辊薄带连铸用侧 封板。
参考文献
［1］ 刘鹏举，赵斌元，田守信，等． 薄带连铸侧封技术的研究现状及 发展趋势［J］． 耐火材料，2008，42（ 4） ： 294 － 298．
主要原料，通 过 热 压 烧 结 法 制 备 了 氮 化 硼 － 莫 来 石 复合陶瓷材料，并对所制备材料的力学性能、热物理 性能以及物相组成和结构进行了研究。 0*
1 试验
采用 h-BN 和莫来石为主要原料，其中 h-BN 的粒 径为 1 ～ 3 μm，w（ BN） ＞ 99% ； 莫来石的粒径为 3 ～ 10 μm，其 w（ Al2 O3 ） ＞ 70% 。添加剂为分析纯 Y2 O3 、 TiN、ZrO2 、AlN 以 及 Al2 O3 的 混 合 物，粒 径 为 1 ～ 10 μm。
耐火材料 / NAIHUO CAILIAO
2016 年第 50 卷
表 1 试验配方
原料
w/%
B1
B2
B3
h-BN
50
60
70
莫来石
30
20
10
添加剂1）
20
20
20
1） 添加剂为 Y2 O3 、TiN、ZrO2 、AlN 以及 Al2 O3 的混合物。
热压烧结试样经过切割、打磨以及抛光处理后，
按照 精 细 陶 瓷 弯 曲 强 度 试 验 方 法 （ GB / T 6569—
2006） 制成弯曲强度测试试样，利用 ＲGM－4100 电子
万能实 验 机 进 行 弯 曲 强 度 测 试，加 载 速 度 为 0． 5 mm·min － 1 。硬度测试的试样制备和测试参照精细
陶瓷室温硬度试验方法 （ GB / T 16534—2009 ） ，采用
过1 200 ℃ 后又急剧增大； 在相同测试温度下，热膨胀 系数随复合材料中氮化硼含量的增加，即莫来石含量 的减少而减小。分析原因可知，氮化硼固有热膨胀系 数垂直方向为 4． 0 × 10 － 6 ℃ － 1 左右，莫来石固有热膨 胀系数为 5． 3 × 10 － 6 ℃ － 1 左右，根据热膨胀系数加和 性法则可知，当莫来石添加量增加时，试样的热膨胀 系数必然增加。
Model FV－700 型维氏硬度计进行测试，测试载荷为 5 kg（ 49． 03 N） ，保压时间为 20 s。采用 Model ＲPZ－03 型热膨胀系数测定仪测定烧后试样在室温 ～ 1 450 ℃
下的热膨胀系数。采用日本产 D / Max－ ＲB 型转靶 X 射线衍射仪（ Cu 靶，40 kV，50 mA，步长为 0． 02°） 对 试样的物相组成进行测试。采用日本产 JSM－5610LV 型扫描电镜对试样的断面显微结构进行测试。
* 北京市科技委员会重大专项项目（ Z131100002413002） 。
刘孟： 男，1985 年生，博士。
E-mail： liumwing@ 126． com
收稿日期： 2016－01－05
编辑： 柴剑玲
http： / / www． nhcl． com． cn 2016 /4 耐火材料 / ＲEFＲACTOＲIES 307
硼，因而烧后试样的弯曲强度和维氏硬度均较高。反
之，当莫来石添加量占比降低，氮化硼添加量占比升
高，则烧后试样的弯曲强度和维氏硬度随之下降。
表 2 试样的弯曲强度和硬度测试结果
项目
B1
B2
B3
弯曲强度 / MPa
287． 5
162． 9
65． 7
硬度值（ HV5）
162． 3
86． 7
31． 5
2． 2 热膨胀系数分析 图 1 示出了烧后试样的热膨胀系数随温度的变
图 1 试样的热膨胀系数曲线
2． 3 相组成及显微结构分析 综合分析烧后试样的弯曲强度、维氏硬度以及热
膨胀系数可知，试样 B1 的性能最佳。因此对试样 B1
2 结果与讨论
2． 1 力学性能分析 表 2 示出了烧后试样的的弯曲强度和硬度。从
表 2 中可以发现，试样的弯曲强度和维氏硬度值均随 氮化硼含量的增加，即莫来石含量的减少而呈现逐渐 减小的趋势。一般情况，对于氮化硼复合陶瓷材料的
试验中设计了复合陶瓷材料配比，如表 1 所示。 在试验过程中，先按照表 1 配料，加入无水乙醇作为 分散剂 采 用 湿 法 球 磨 进 行 混 合，球 磨 混 合 时 间 为 24 h。待混合完后，再进行烘干造粒处理，最后将粉 料放入热压用石墨模具中，在 1 750 ～ 1 800 ℃ 下保温 120 min 热 压 烧 结，热 压 压 力 为 25 MPa，保 护 气 氛 为 N2 。
［4］ 刘孟，宋仪杰，徐晓红，等． 薄带连铸用侧封 板 材 料 研 究 现 状 ［J］． 材料导报，2014，28（ 7） ： 117 － 121．
［5］ Wang H L，Yan X，Lei Z S，et al． Study on side containment technology of twin-roll thin strip continuous casting［J］． Steelmaking， 2007，23（ 2） ： 54 － 58．
308 NAIHUO CAILIAO / 耐火材料 2016 /4 http： / / www． nhcl． com． cn
第4 期
刘 孟，等： 氮化硼－莫来石复合陶瓷材料的制备及性能研究
2016 年 8 月
游离 SiO2 以及添加剂中的氮 化 物 进 一 步 反 应 又 生 成赛隆相，填充在孔隙和晶界处，使试样的致密度大 大提高； 同时，烧后试样中针棒状莫来石相和刚玉相 作为第二相，配合赛隆相，可大大提高烧结材料的力 学性能。
［2］ Toshio H H，Kenta T，Masaaki I，et al． Twin roll casting of aluminum alloy strips［J］． J Mater Process Tech，2004，153 （ 10 ） ： 42 － 47．
［3］ 刘鹏举． 薄带连铸侧封材料 研 究［D］． 上 海： 上 海 交 通 大 学， 2009．
烧结，加入氧化物主要是作为液相和晶界结合相，在 高温烧结过程促进氮化硼陶瓷的致密化烧结。在烧
结过程中，针棒状莫来石和其他烧结助剂在氮化硼颗 粒之间一方面起到桥接作用，另一方面，部分熔融形 成液相填充气孔促进烧结，二者共同作用赋予烧后复
合陶瓷材料的强度和硬度。当莫来石含量较高时，烧 后试样中液相量较大，且莫来石固有硬度要高于氮化
2016 年 8 月 第 50 卷 第 4 期
307 ～ 309
氮化硼－莫来石复合陶瓷材料的制备及性能研究
刘 孟 宋仪杰 徐国涛 陈华圣 李丽坤 周旺枝 刘 黎
武汉钢铁（ 集团） 公司 研究院 湖北武汉 430080
摘 要： 为了制备性能优异的双辊薄带连铸用陶瓷侧封板，以六方氮化硼和莫来石为主要原料，Y2 O3 、TiN、 ZrO2 、AlN 以及 Al2 O3 的混合物为添加剂，采用热压烧结法（ 1 750 ～ 1 800 ℃ ，120 min，25 MPa，N2 气氛） 制备了 三种不同组成的氮化硼－莫来石复合陶瓷材料，测试并分析了烧后试样的弯曲强度、硬度、热膨胀系数、物相组 成和显微结构。结果表明： 1） 随着氮化硼含量的增加，莫来石含量的减少，氮化硼－莫来石复合陶瓷试样的弯曲 强度、硬度和热膨胀系数均呈现逐渐减小的趋势。2） 当六方氮化硼、莫来石和添加剂的添加质量分数分别为 50% 、30% 和 20% 时，所制备氮化硼－莫来石复合陶瓷材料的综合性能最佳，其弯曲强度为 287． 5 MPa，硬度为 162． 3HV5，热膨胀系数约 为 4． 5 × 10 － 6 ℃ － 1 （ 室 温） ； XＲD 和 SEM 分 析 显 示，其 主 要 物 相 为 h-BN、莫 来 石、 α-Al2 O3 以及 SiAl4 O2 N4 ，其中基体相以氮化硼为主，莫来石为第二相，SiAl4 O2 N4 固溶体存在于晶界处，与莫来石 共同作用而赋予了材料良好的力学性能。 关键词： 氮化硼； 莫来石； 热压烧结； 弯曲强度； 维氏硬度； 热膨胀系数； 显微结构
3 结论
（ 1） 随着氮化硼－莫来石复合陶瓷中氮化硼含量 的增加，莫来石含量的减少，试样的弯曲强度、硬度和 热膨胀系数均呈现逐渐减小的趋势。
（ 2） 综合分析烧后试样的弯曲强度、硬度以及热 膨胀系数可知，当六方氮化硼、莫来石和添加剂的添 加质量分数分别为 50% 、30% 和 20% 时，所制备的复 合陶瓷 材 料 试 样 性 能 最 佳，其 弯 曲 强 度 为 287． 5 MPa，硬 度 为 162． 3HV5，热 膨 胀 系 数 约 为 4． 5 × 10 － 6 ℃ － 1 （ 室温） ； XＲD 和 SEM 分析显示，其主要物 相为 h-BN、莫来石、α-Al2 O3 以及 SiAl4 O2 N4 ，其中基 体相 以 氮 化 硼 为 主，莫 来 石 为 第 二 相，晶 界 存 在 SiAl4 O2 N4 固溶体，和莫来石共同作用赋予了试样良好 的力学性能。
中图分类号： TQ175
文献标识码： A
DOI： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 1935． 2016． 04． 018
图 2 试样 B1 的 XＲD 图谱
结合图 2 和图 3 分析可知，颗粒状物质应为氮 化硼，针棒状物相为莫来石和刚玉相的混合物，而固 溶体则为赛隆相。在氮化硼－莫来石复合陶瓷材料 的 烧 结 过 程 中 ，莫 来 石 在 高 温 状 态 下 会 部 分 分 解 形 成 Al2 O3 和游离 SiO2 ，在 热 压 烧 结 过 程 中，Al2 O3 和
图 3 试样 B1 断面的显微形貌
综合分析最佳配比试样 B1 热压烧结后的力学 性 能 、相 组 成 以 及 显 微 结 构 ，可 推 断 所 制 备 氮 化 硼 － 莫来石复合陶瓷材料有希望用作双辊薄带连铸用侧 封板。
参考文献
［1］ 刘鹏举，赵斌元，田守信，等． 薄带连铸侧封技术的研究现状及 发展趋势［J］． 耐火材料，2008，42（ 4） ： 294 － 298．
主要原料，通 过 热 压 烧 结 法 制 备 了 氮 化 硼 － 莫 来 石 复合陶瓷材料，并对所制备材料的力学性能、热物理 性能以及物相组成和结构进行了研究。 0*
1 试验
采用 h-BN 和莫来石为主要原料，其中 h-BN 的粒 径为 1 ～ 3 μm，w（ BN） ＞ 99% ； 莫来石的粒径为 3 ～ 10 μm，其 w（ Al2 O3 ） ＞ 70% 。添加剂为分析纯 Y2 O3 、 TiN、ZrO2 、AlN 以 及 Al2 O3 的 混 合 物，粒 径 为 1 ～ 10 μm。
耐火材料 / NAIHUO CAILIAO
2016 年第 50 卷
表 1 试验配方
原料
w/%
B1
B2
B3
h-BN
50
60
70
莫来石
30
20
10
添加剂1）
20
20
20
1） 添加剂为 Y2 O3 、TiN、ZrO2 、AlN 以及 Al2 O3 的混合物。
热压烧结试样经过切割、打磨以及抛光处理后，
按照 精 细 陶 瓷 弯 曲 强 度 试 验 方 法 （ GB / T 6569—
2006） 制成弯曲强度测试试样，利用 ＲGM－4100 电子
万能实 验 机 进 行 弯 曲 强 度 测 试，加 载 速 度 为 0． 5 mm·min － 1 。硬度测试的试样制备和测试参照精细
陶瓷室温硬度试验方法 （ GB / T 16534—2009 ） ，采用
过1 200 ℃ 后又急剧增大； 在相同测试温度下，热膨胀 系数随复合材料中氮化硼含量的增加，即莫来石含量 的减少而减小。分析原因可知，氮化硼固有热膨胀系 数垂直方向为 4． 0 × 10 － 6 ℃ － 1 左右，莫来石固有热膨 胀系数为 5． 3 × 10 － 6 ℃ － 1 左右，根据热膨胀系数加和 性法则可知，当莫来石添加量增加时，试样的热膨胀 系数必然增加。
Model FV－700 型维氏硬度计进行测试，测试载荷为 5 kg（ 49． 03 N） ，保压时间为 20 s。采用 Model ＲPZ－03 型热膨胀系数测定仪测定烧后试样在室温 ～ 1 450 ℃
下的热膨胀系数。采用日本产 D / Max－ ＲB 型转靶 X 射线衍射仪（ Cu 靶，40 kV，50 mA，步长为 0． 02°） 对 试样的物相组成进行测试。采用日本产 JSM－5610LV 型扫描电镜对试样的断面显微结构进行测试。
* 北京市科技委员会重大专项项目（ Z131100002413002） 。
刘孟： 男，1985 年生，博士。
E-mail： liumwing@ 126． com
收稿日期： 2016－01－05
编辑： 柴剑玲
http： / / www． nhcl． com． cn 2016 /4 耐火材料 / ＲEFＲACTOＲIES 307
硼，因而烧后试样的弯曲强度和维氏硬度均较高。反
之，当莫来石添加量占比降低，氮化硼添加量占比升
高，则烧后试样的弯曲强度和维氏硬度随之下降。
表 2 试样的弯曲强度和硬度测试结果
项目
B1
B2
B3
弯曲强度 / MPa
287． 5
162． 9
65． 7
硬度值（ HV5）
162． 3
86． 7
31． 5
2． 2 热膨胀系数分析 图 1 示出了烧后试样的热膨胀系数随温度的变
图 1 试样的热膨胀系数曲线
2． 3 相组成及显微结构分析 综合分析烧后试样的弯曲强度、维氏硬度以及热
膨胀系数可知，试样 B1 的性能最佳。因此对试样 B1
2 结果与讨论
2． 1 力学性能分析 表 2 示出了烧后试样的的弯曲强度和硬度。从
表 2 中可以发现，试样的弯曲强度和维氏硬度值均随 氮化硼含量的增加，即莫来石含量的减少而呈现逐渐 减小的趋势。一般情况，对于氮化硼复合陶瓷材料的
试验中设计了复合陶瓷材料配比，如表 1 所示。 在试验过程中，先按照表 1 配料，加入无水乙醇作为 分散剂 采 用 湿 法 球 磨 进 行 混 合，球 磨 混 合 时 间 为 24 h。待混合完后，再进行烘干造粒处理，最后将粉 料放入热压用石墨模具中，在 1 750 ～ 1 800 ℃ 下保温 120 min 热 压 烧 结，热 压 压 力 为 25 MPa，保 护 气 氛 为 N2 。
［4］ 刘孟，宋仪杰，徐晓红，等． 薄带连铸用侧封 板 材 料 研 究 现 状 ［J］． 材料导报，2014，28（ 7） ： 117 － 121．
［5］ Wang H L，Yan X，Lei Z S，et al． Study on side containment technology of twin-roll thin strip continuous casting［J］． Steelmaking， 2007，23（ 2） ： 54 － 58．
308 NAIHUO CAILIAO / 耐火材料 2016 /4 http： / / www． nhcl． com． cn
第4 期
刘 孟，等： 氮化硼－莫来石复合陶瓷材料的制备及性能研究
2016 年 8 月
游离 SiO2 以及添加剂中的氮 化 物 进 一 步 反 应 又 生 成赛隆相，填充在孔隙和晶界处，使试样的致密度大 大提高； 同时，烧后试样中针棒状莫来石相和刚玉相 作为第二相，配合赛隆相，可大大提高烧结材料的力 学性能。
［2］ Toshio H H，Kenta T，Masaaki I，et al． Twin roll casting of aluminum alloy strips［J］． J Mater Process Tech，2004，153 （ 10 ） ： 42 － 47．
［3］ 刘鹏举． 薄带连铸侧封材料 研 究［D］． 上 海： 上 海 交 通 大 学， 2009．
烧结，加入氧化物主要是作为液相和晶界结合相，在 高温烧结过程促进氮化硼陶瓷的致密化烧结。在烧
结过程中，针棒状莫来石和其他烧结助剂在氮化硼颗 粒之间一方面起到桥接作用，另一方面，部分熔融形 成液相填充气孔促进烧结，二者共同作用赋予烧后复
合陶瓷材料的强度和硬度。当莫来石含量较高时，烧 后试样中液相量较大，且莫来石固有硬度要高于氮化
2016 年 8 月 第 50 卷 第 4 期
307 ～ 309
氮化硼－莫来石复合陶瓷材料的制备及性能研究
刘 孟 宋仪杰 徐国涛 陈华圣 李丽坤 周旺枝 刘 黎
武汉钢铁（ 集团） 公司 研究院 湖北武汉 430080
摘 要： 为了制备性能优异的双辊薄带连铸用陶瓷侧封板，以六方氮化硼和莫来石为主要原料，Y2 O3 、TiN、 ZrO2 、AlN 以及 Al2 O3 的混合物为添加剂，采用热压烧结法（ 1 750 ～ 1 800 ℃ ，120 min，25 MPa，N2 气氛） 制备了 三种不同组成的氮化硼－莫来石复合陶瓷材料，测试并分析了烧后试样的弯曲强度、硬度、热膨胀系数、物相组 成和显微结构。结果表明： 1） 随着氮化硼含量的增加，莫来石含量的减少，氮化硼－莫来石复合陶瓷试样的弯曲 强度、硬度和热膨胀系数均呈现逐渐减小的趋势。2） 当六方氮化硼、莫来石和添加剂的添加质量分数分别为 50% 、30% 和 20% 时，所制备氮化硼－莫来石复合陶瓷材料的综合性能最佳，其弯曲强度为 287． 5 MPa，硬度为 162． 3HV5，热膨胀系数约 为 4． 5 × 10 － 6 ℃ － 1 （ 室 温） ； XＲD 和 SEM 分 析 显 示，其 主 要 物 相 为 h-BN、莫 来 石、 α-Al2 O3 以及 SiAl4 O2 N4 ，其中基体相以氮化硼为主，莫来石为第二相，SiAl4 O2 N4 固溶体存在于晶界处，与莫来石 共同作用而赋予了材料良好的力学性能。 关键词： 氮化硼； 莫来石； 热压烧结； 弯曲强度； 维氏硬度； 热膨胀系数； 显微结构
3 结论
（ 1） 随着氮化硼－莫来石复合陶瓷中氮化硼含量 的增加，莫来石含量的减少，试样的弯曲强度、硬度和 热膨胀系数均呈现逐渐减小的趋势。
（ 2） 综合分析烧后试样的弯曲强度、硬度以及热 膨胀系数可知，当六方氮化硼、莫来石和添加剂的添 加质量分数分别为 50% 、30% 和 20% 时，所制备的复 合陶瓷 材 料 试 样 性 能 最 佳，其 弯 曲 强 度 为 287． 5 MPa，硬 度 为 162． 3HV5，热 膨 胀 系 数 约 为 4． 5 × 10 － 6 ℃ － 1 （ 室温） ； XＲD 和 SEM 分析显示，其主要物 相为 h-BN、莫来石、α-Al2 O3 以及 SiAl4 O2 N4 ，其中基 体相 以 氮 化 硼 为 主，莫 来 石 为 第 二 相，晶 界 存 在 SiAl4 O2 N4 固溶体，和莫来石共同作用赋予了试样良好 的力学性能。
中图分类号： TQ175
文献标识码： A
DOI： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 1935． 2016． 04． 018
