CN101337816B - 一种碳化硼基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种碳化硼基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种碳化硼基复合材料及其制备方法，它涉及一种复合材料及其制备方法。它解决了现有制备碳化硼基复合材料的方法存在工艺复杂、成本高、在降低烧结温度的同时导致材料硬度下降及断裂韧性差的问题。本发明碳化硼基复合材料由碳化硼粉与铝粉或铝合金粉制成。方法：一、称取原料，将碳化硼粉与铝粉或铝合金粉混合，得粉体；二、将粉体与粘结剂混合后造粒，再冷压成形，得素坯；三、素坯烘干后烧结，即得碳化硼基复合材料。本发明工艺简单，成本低、降低了烧结温度，且材料的硬度高，断裂韧性好。

Description

一种碳化硼基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料及其制备方法。
背景技术
碳化硼是一种超硬的材料，具有轻质、耐磨性能好、耐化学腐蚀、极佳的弹道性能以及高的中子吸收性能等优良性能。可应用于喷砂机的喷嘴、密封元件、防弹背心及飞机的防弹板、核反应堆的中子吸收元件等。由于碳化硼的晶体结构中有大约93％的共价键，使得碳化硼材料的烧结非常困难。通常要在2300℃热压烧结才能获得较致密的碳化硼材料，另外，碳化硼是一种非常脆的材料，纯碳化硼的断裂韧性只有2.2MPam1/2，由于上述的缺点，限制了碳化硼的广泛应用。
目前，国内外对改善碳化硼材料的烧结性能，通过采用直接加入TiB2、SiC、C、Al2O3以及金属Ti、Al等的方法，使烧结温度降低到1700～1800℃，但是材料的硬度却降到30GPa以下，断裂韧性仅为2.5～4.5MPam1/2，且工艺复杂，成本高。
发明内容
本发明目的是为了解决现有制备碳化硼基复合材料的方法存在工艺复杂、成本高、在降低烧结温度的同时导致材料硬度下降及断裂韧性差的问题，而提供一种碳化硼基复合材料及其制备方法。
碳化硼基复合材料按质量份数比由6～20份的碳化硼粉、1～3份的粘结剂与1～4份的铝粉或铝合金粉制成；其中粘结剂为汽油和可溶于汽油的橡胶按体积比9∶1的混合。
制备碳化硼基复合材料的方法按以下步骤实现：一、按质量份数比称取6～20份的碳化硼粉、1～3份的粘结剂与1～4份的铝粉或铝合金粉，然后将称取的碳化硼粉与铝粉或铝合金粉以300～510r/min转速球磨混合3～5h，得粉体；二、将粉体与称取的粘结剂混合搅拌，然后过60～100目筛进行造粒，再放入钢模具中，以30～80MPa的压力将粉体冷压成形，得素坯；三、素坯在60～100℃的条件下烘干2～4h，放入石墨模具置于热压炉中，抽真空后充入氩气至压力为0.7×105～0.9×105Pa，然后以30～50℃/min的升温速率升温至1600～1800℃、在烧结压力为30～50MPa的条件下烧结0.25～1h，即得碳化硼基复合材料；其中粘结剂为汽油和可溶于汽油的橡胶按体积比9∶1的混合。
本发明中利用铝与碳化硼表面的三氧化二硼的铝热反应，达到了降低烧结温度和缩短烧结时间的目的，同时在碳化硼之间引入铝和三氧化二铝的弱界面，大幅的提高了材料的断裂韧性，且材料硬度不显著降低，断裂韧性高达5.5～6.4MPam1/2、维氏硬度达30.1～40.5GPa；本发明制备工艺简单、能耗小制造成本低。
附图说明
图1为具体实施方式十中所得碳化硼基复合材料的XRD谱图，其中□表示碳化硼，●表示三氧化二铝，△表示铝，◆表示铝硼碳三元化合物；图2图1为具体实施方式十中所得碳化硼基复合材料的断口形貌图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式碳化硼基复合材料按质量份数比6～20份的碳化硼粉、1～3份的粘结剂与1～4份的铝粉或铝合金粉制成；其中粘结剂为汽油和可溶于汽油的橡胶按体积比9∶1的混合。
本实施方式中所用铝合金粉为现有的各种类型铝合金粉。
本实施方式中所用橡胶为现有的各种类型可溶于汽油的橡胶。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是碳化硼基复合材料按质量份数比由15份碳化硼粉、2份的粘结剂与2份铝粉或铝合金粉制成。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是碳化硼粉的粒径为0.8～40μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是铝粉的粒径为10～70μm；铝合金粉的粒径为10～70μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式制备碳化硼基复合材料的方法按以下步骤实现：一、按质量份数比称取6～20份的碳化硼粉、1～3份的粘结剂与1～4份的铝粉或铝合金粉，然后将称取的碳化硼粉与铝粉或铝合金粉以300～510r/min转速球磨混合3～5h，得粉体；二、将粉体与称取的粘结剂混合搅拌，然后过60～100目筛进行造粒，再放入钢模具中，以30～80MPa的压力将粉体冷压成形，得素坯；三、素坯在60～100℃的条件下烘干2～4h，放入石墨模具置于热压炉中，抽真空后充入氩气至压力为0.7×105～0.9×105Pa，然后以30～50℃/min的升温速率升温至1600～1800℃、在烧结压力为30～50MPa的条件下烧结0.25～1h，即得碳化硼基复合材料；其中粘结剂为汽油和可溶于汽油的橡胶按体积比9∶1的混合。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤一中按质量份数比称取15份的碳化硼粉、2份的粘结剂与2份的铝粉或铝合金粉，然后将称取的碳化硼粉与铝粉或铝合金粉以400r/min转速球磨混合4h。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤一中球磨混合中球料质量比为3～6∶1，磨球为直径15～20mm的不锈钢球。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤二中将粉体与称取的粘结剂混合搅拌，然后过70目筛进行造粒，再放入钢模具中，以60MPa的压力将粉体冷压成形。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤三中素坯在80℃的条件下烘干3h，放入石墨模具置于热压炉中，抽真空后充入氩气至压力为0.8×105Pa，然后以40℃/min的升温速率升温至1700℃、在烧结压力为30MPa的条件下烧结0.5h。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式十：本实施方式制备碳化硼基复合材料的方法按以下步骤实现：一、按质量份数比称取20份的碳化硼粉、2份的粘结剂与1份的铝粉，然后将称取的碳化硼粉与铝粉以450r/min转速球磨混合4h，得粉体；二、将粉体与称取的粘结剂混合搅拌，然后过70目筛进行造粒，再放入钢模具中，以70MPa的压力将粉体冷压成形，得素坯；三、素坯在80℃的条件下烘干3h，放入石墨模具置于热压炉中，抽真空后充入氩气至压力为0.8×105Pa，然后以40℃/min的升温速率升温至1600℃、在烧结压力为45MPa的条件下烧结0.5h，即得碳化硼基复合材料；其中粘结剂为汽油和氯丁橡胶按体积比9∶1的混合。
本实施方式所得碳化硼基复合材料，经测试维氏硬度达40.5GPa，断裂韧性为6.4MPam1/2；由图1可以看出，所得复合材料中主要成分是碳化硼，还含有少量的铝、氧化铝以及铝硼碳三元化合物；有图2可以看出在碳化硼颗粒与颗粒之间的晶界上有Al/Al2O3的界面层，致使碳化硼基复合材料的脆性减少，韧性增加。

Claims (9)

1.一种碳化硼基复合材料，其特征在于碳化硼基复合材料按质量份数比6～20份的碳化硼粉、1～3份的粘结剂与1～4份的铝粉或铝合金粉制成；其中粘结剂为汽油和可溶于汽油的橡胶按体积比9∶1的混合。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硼基复合材料，其特征在于碳化硼基复合材料按质量份数比由15份的碳化硼粉、2份的粘结剂与2份的铝粉或铝合金粉制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳化硼基复合材料，其特征在于碳化硼粉的粒径为0.8～40μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种碳化硼基复合材料，其特征在于铝粉的粒径为10～70μm；铝合金粉的粒径为10～70μm。
5.制备权利要求1所述碳化硼基复合材料的方法，其特征在于制备碳化硼基复合材料的方法按以下步骤实现：一、按质量份数比称取6～20份的碳化硼粉、1～3份的粘结剂与1～4份的铝粉或铝合金粉，然后将称取的碳化硼粉与铝粉或铝合金粉以300～510r/min转速球磨混合3～5h，得粉体；二、将粉体与称取的粘结剂混合搅拌，然后过60～100目筛进行造粒，再放入钢模具中，以30～80MPa的压力将粉体冷压成形，得素坯；三、素坯在60～100℃的条件下烘干2～4h，放入石墨模具置于热压炉中，抽真空后充入氩气至压力为0.7×105～0.9×105Pa，然后以30～50℃/min的升温速率升温至1600～1800℃、在烧结压力为30～50MPa的条件下烧结0.25～1h，即得碳化硼基复合材料；其中粘结剂为汽油和可溶于汽油的橡胶按体积比9∶1的混合。
6.根据权利要求5所述的制备碳化硼基复合材料的方法，其特征在于步骤一中按质量份数比称取15份的碳化硼粉、2份的粘结剂与2份的铝粉或铝合金粉，然后将称取的碳化硼粉与铝粉或铝合金粉以400r/min转速球磨混合4h。
7.根据权利要求5所述的制备碳化硼基复合材料的方法，其特征在于步骤一中球磨混合中球料质量比为3～6∶1，磨球为直径15～20mm的不锈钢球。
8.根据权利要求5所述的制备碳化硼基复合材料的方法，其特征在于步骤二中将粉体与称取的粘结剂混合搅拌，然后过70目筛进行造粒，再放入钢模具中，以60MPa的压力将粉体冷压成形。
9.根据权利要求5所述的制备碳化硼基复合材料的方法，其特征在于步骤三中素坯在80℃的条件下烘干3h，放入石墨模具置于热压炉中，抽真空后充入氩气至压力为0.8×105Pa，然后以40℃/min的升温速率升温至1700℃、在烧结压力为30MPa的条件下烧结0.5h。
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