CN102126860A

CN102126860A - 注浆成型制备硼化物基陶瓷的方法

Info

Publication number: CN102126860A
Application number: CN2010100228240A
Authority: CN
Inventors: 张国军; 王新刚; 阚艳梅; 王佩玲
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2011-07-20

Abstract

本发明涉及注浆成型制备硼化物基陶瓷的方法，属于陶瓷材料领域。本发明以MB₂(M＝Ti，Zr，Hf)和SiC为原料，硼粉为烧结助剂，聚乙烯亚胺(PEI)或丙烯酸类共聚物为分散剂，首先制备出分散性、流动性良好、稳定的水基浆料，注浆成型，坯体干燥后于1800～2200℃的温度下无压烧结1-3h，获得相对密度大于97％的致密陶瓷。

Description

注浆成型制备硼化物基陶瓷的方法

技术领域

本发明注浆成型制备硼化物基陶瓷的方法，属于非氧化物复相陶瓷领域。

背景技术

目前制备硼化物基陶瓷主要采用的成型方法和烧结方法分别为干法成型与热压烧结。与干法成型方法相比，湿法成型方法更容易控制坯体显微结构，减少坯体缺陷，并且可以制备各种复杂形状的陶瓷部件。在湿法成型中，注浆成型由于工艺简单，成本低，所得生坯密度高、显微结构均匀，成为目前应用范围最广泛的湿法成型方法。另一方面，热压烧结虽然可以在相对较低的温度制备致密的、力学性能良好的MB₂-SiC陶瓷，但样品形状和尺寸受限，后期加工也十分复杂和昂贵。而与热压烧结等方法相比，无压烧结方法更适合于制备净尺寸和复杂形状的部件，简化后续机械加工，降低制备成本。目前，无压烧结MB₂-SiC陶瓷一般采用的是冷等静压成型方法，烧结温度在2000-2200℃时可获得致密的MB₂-SiC陶瓷，但受成型方法的限制，几乎不能直接制备出复杂形状的样品。采用注浆成型并结合无压烧结制备MB₂-SiC陶瓷则可同时克服上述缺点，关于此方面的研究还未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用注浆成型法制备硼化物-碳化硅基陶瓷的方法。

本发明的目的是通过下列方式实施的。即以纯度大于90％的硼化物(TiB₂，ZrB₂，HfB₂)和纯度大于90％碳化硅为原料，加入硼粉混合后得到复合粉体，以中性聚合物或聚电介质为分散剂，水为溶剂，制备出分散性、流动性好的，固含量高的，稳定的料浆，通过注浆成型的方法，制备出硼化物基陶瓷。

本发明的具体实施方法：

(1)选用纯度大于90％TiB₂，ZrB₂或HfB₂粉末；纯度大于90％SiC粉末为原料，其中TiB₂，ZrB₂或HfB₂∶SiC粉末的质量配比为(97～60)∶(3～40)，加入占原料粉体质量百分比0.2～5％的硼粉；

优选的TiB₂，ZrB₂或HfB₂粉末粒径为0.2-10μm；

优选的SiC粉末，粒径为0.1-5μm；

优选的硼粉纯度大于95％，粒径为0.1-5μm；

(2)以步骤(1)所得粉体，加入以聚乙烯亚胺(PEI)或丙烯酸类共聚物为分散剂，得到固相含量为30～50vol.％的水溶液浆料；

优选的分散剂用量为所述原料粉体质量的0.5～3.0wt％；

优选的浆料的pH值为7～10，优选采用盐酸调节；

(3)浆料脱气后倒入模具中进行注浆成型后，固化、去模、干燥、排胶后在2000-2200℃烧结1～3小时。

优选排胶的条件为300～800℃下排胶1～5h；

进一步优选排胶的条件为氩气气氛；

优选的烧结过程中升温速率为1650℃以下为8-15℃/min，1650℃以上为15-25℃/min，

本发明的优点：

(1)采用注浆成型工艺，过程简单，易操作，成本低廉，可以制备出可以应用的、具有复杂几何形状的大尺寸硼化物-碳化硅基陶瓷。

(2)采用无压烧结的方法，烧成温度在2000-2200℃，保温1-3h，可以制备出的材料致密度达97％以上，具有较好力学性能的硼化物-碳化硅基陶瓷。

附图说明

图1注浆后的ZrB₂-SiC生坯，生坯密度为54％。

图2 2100℃烧结2h后的ZrB₂-SiC陶瓷，致密度为99％。

图3 2100℃烧结得到的ZSB样品抛光面腐蚀后的SEM图像。可以看出，碳化硅均匀分散于硼化锆基体中。

具体实施方式

实施例1

为制备ZrB₂-20vol.％SiC复相材料，将1g硼粉加入到塑料罐中，加入88.3g硼化锆和11.7g碳化硅粉末，称取1.3g PEI，采用盐酸调节pH值～8.5，混合得到30vol.％的水溶液浆料。

不断磁力搅拌的条件下真空脱气2h，然后采用石膏模具进行注浆成型，待固化后，将坯体取出在100℃干燥3h，得到的生坯如图1所示，然后在700℃流动氩气条件下排胶2h；于2100℃无压烧结烧结2h。得到ZrB₂-SiC陶瓷，如图2所示，材料的致密度达到99％，图3给出了经过酸腐蚀后的抛光面SEM照片，发现形貌呈短棒状的SiC均匀分散于ZrB₂基体中。经过力学性能测试，材料的硬度为17GPa，韧性：4.5Mpa·m^1/2，抗弯强度：440MPa。

实施例2

为制备ZrB₂-30vol.％SiC复相材料，称取1g硼粉、81.6g硼化锆和18.4g碳化硅粉，称取1.3g PEI，采用盐酸调节pH值～8.5，混合得到40vol.％的水溶液浆料。

按照与实施例1相同的方法脱气、注浆成型、干燥、排胶并烧结。材料的致密度达到97％，经过力学性能测试，材料的硬度为20GPa，韧性：4.6MPa·m^1/2，抗弯强度：460MPa。

实施例3

为制备HfB₂-5vol.％SiC复相材料，将1g硼粉、98.5g硼化铪和1.5g碳化硅粉，称取1.5g PEI，采用盐酸调节pH值～8.5，混合得到50vol.％的水溶液浆料。

按照与实施例1相同的方法脱气、注浆成型、干燥、排胶并烧结。材料的致密度达到98％，经过力学性能测试，材料的硬度为15GPa，韧性：3.8MPa·m^1/2，抗弯强度：410MPa。

实施例4

为制备HfB₂-10v ol.％SiC复相材料，将1g硼粉、96.9g硼化铪和3.1g碳化硅粉，称取1.3g PEI，采用盐酸调节pH值～7，混合得到50vol.％的水溶液浆料。

按照与实施例1相同的方法制备脱气、注浆成型、干燥、排胶并烧结。材料的致密度达到97％，经过力学性能测试，材料的硬度为16GPa，韧性：4.1MPa·m^1/2，抗弯强度：470MPa。

实施例5

为制备含TiB₂-SiC 5vol.％的复相材料，称取1g硼粉、96.4g硼化钛和3.6g碳化硅粉，称取1.3g PEI，采用盐酸调节pH值～9.5，混合得到45vol.％的水溶液浆料。

按照与实施例1相同的方法制备脱气、注浆成型、干燥、排胶并烧结。材料的致密度达到98％，经过力学性能测试，材料的硬度为15GPa，韧性：3.7MPa·m^1/2，抗弯强度：440MPa。

实施例6

为制备TiB₂-10vol.％SiC的复相材料，将1g硼粉、92.7g硼化钛和7.3g碳化硅粉，称取1.3g PEI，采用盐酸调节pH值～9.5，混合得到45vol.％的水溶液浆料。

按照与实施例1相同的方法制备脱气、注浆成型、干燥、排胶并烧结。材料的致密度达到97％，经过力学性能测试，材料的硬度为15.5GPa，韧性：4.3MPa·m^1/2，抗弯强度：460MPa。

实施例7

为制备含TiB₂-20vol.％SiC的复相材料，将1g硼粉、84.9g硼化钛和15.1g碳化硅粉，称取1.3g PEI，采用盐酸调节pH值～10，混合得到35vol.％的水溶液浆料。

按照与实施例1相同的方法制备脱气、注浆成型、干燥、排胶并烧结。材料的致密度达到98％，经过力学性能测试，材料的硬度为17GPa，韧性：4.6MPa·m^1/2，抗弯强度：460MPa。

Claims

1.注浆成型制备硼化物基陶瓷的方法，其特征在于以纯度大于90％的TiB₂，ZrB₂或HfB₂和纯度大于90％的碳化硅为原料，加入硼粉混合后得到复合粉体，以中性聚合物或聚电介质为分散剂，水为溶剂，制备料浆，通过注浆成型的方法，制备出硼化物基陶瓷。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，包括下述步骤：

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述浆料的pH值为7～10，优选采用盐酸调节。

4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述TiB₂，ZrB₂或HfB₂粉末粒径为0.2-10μm。

5.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，SiC粉末粒径为0.1-5μm。

6.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述硼粉纯度大于95％，粒径为0.1-5μm。

7.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述排胶的条件为300～800℃下排胶1～5h。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，所述排胶的条件为氩气气氛。

9.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述烧结过程中升温速率为1650℃以下为8-15℃/min，1650℃以上为15-25℃/min。