本研究报道以碳化硅(SiC)作为烧结添加剂，无压烧结制备了不同含碳(C)量的碳化硼(B₄C)陶瓷，随着碳含量的增加，烧结试样的相对密度增加，晶粒尺寸明显减小。同时随着碳含量的增加使得B₄C陶瓷的导电性能由非线性变为线性，当碳化硼达到10wt%时，B₄C陶瓷样品的电阻率达到56.2Ω.cm，而在力学性能上，抗弯强度于弹性模量随着含碳量的提高而略有提升，断裂韧性基本保持不变，维氏硬度明显提高。

在空气电池中，负载催化剂的碳材料易在高电位下发生腐蚀，使催化剂从基体表面脱落二聚集，降低了催化活性，在这种情况下，需要选择更加稳定的催化剂基材。碳化硼（B₄C）陶瓷具有优异的耐酸碱腐蚀、密度低、力学性能突出等特点，而根据相关研究报道，当催化剂负载到B₄C上时，活性会更高。因此，碳化硼陶瓷有望用于空气电池催化剂载体。然而，本研究发现B₄C陶瓷表现为非线性电阻特性（目前几乎无这方面报道），这不利于实际运用，因此，本研究试图在B4C陶瓷中加入导电相以改变其电学特性。

本报道中，研究人员加入碳（酚醛树脂高温热解得到）作为第二相，碳化硅（SiC）作为烧结添加剂。其中，碳不仅可作为导电相填充在B₄C陶瓷里，还可去除B₄C表面的氧，促进烧结。更进一步对比了不同碳含量对B₄C陶瓷电导率、机械性能和微观结构的影响。

表1 不同样品的组分占比、相对密度及电性能

微观结构

图1为6wt%C复合材料的SEM与EDS图，其中，B₄C（灰色相）、SiC（白色相）、C和孔隙（黑色）分散在样品中，图2为不同碳含量的B4C陶瓷的微观结构，从图中可看出，B₄C陶瓷的孔隙数量随着含碳量的增加而逐渐减少，这与表一不同材料的相对密度是相对应的。同时，随着含碳量的增加，一定程度上会抑制B₄C晶粒的生长，样品的晶粒尺寸明显减少，这些对于试样的电学性能和力学性能都会有较大的影响。

图1 6wt%C的B4C陶瓷的SEM与EDS图

图2 不同碳含量的B4C陶瓷的微观结构(a)3wt%C, (b)6wt%C, (c)8wt%C, (d)10wt%C

电学性能

许多研究报道都聚焦于提高B₄C陶瓷的导电率，而对于改变其非线性电阻特性的研究较少。图3(a)为不同样品的电压(U)-(I)图，从图中可看出，含碳量较少的B₄C陶瓷表现出非线性导电特性，而随着含碳量的上升，样品的U-I曲线也逐渐表现出线性特征，10wt%C的B₄C陶瓷的非线性指数已经非常接近于1，说明其有接近线性的导电特性，其电阻率计算得56.2Ω.cm。

图3(a)不同碳含量的B4C陶瓷的电场-电流密度图 (b)(c)B4C陶瓷的等效电路

(d)(e)B4C陶瓷的阻抗图

机械性能

图4(a)为烧结样品的抗弯强度和弹性模量随碳含量的变化关系图，从图中可以看出，材料的抗弯强度随碳含量的增加而提高，当碳含量达到10wt%时，强度值为200Mpa，这种变化可能有两个原因：（1）碳含量的增加导致晶粒尺寸的减小，而晶粒尺寸越小，抗弯强度也就越大；（2）相对密度的提高导致作为断裂七点的孔隙数量和尺寸减少，从而提高了抗弯强度。材料的弹性模量也呈现同样趋势，10wt%碳含量的B₄C陶瓷的弹性模量最高达到230GPa。图4(b)则为烧结试样的断裂韧性和维氏硬度随含碳量的变暖，随着含碳量的提高，断裂韧性基本保持不变，约为2.5MPa.m1/2，而维氏硬度则从15.2GPa增加到28.4GPa，其中材料相对密度的提高起了主要作用。

图4 (a)不同碳含量的B4C陶瓷的抗弯强度与弹性模量变化 (b)断裂韧性与维氏硬度随含碳量的变化情况

参考文献：

Ming Zhu, Jian Chen, et. al., The electrical conductivity properties of B₄C ceramics by pressureless sintering, Ceramics International, 2020

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