CN102515772A

CN102515772A - 一种碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102515772A
Application number: CN2011104452428A
Authority: CN
Inventors: 张继红; 韩文波; 曹仲文
Original assignee: MUDANJIANG JINGANGZUAN BORON CARBIDE CO Ltd
Current assignee: MUDANJIANG JINGANGZUAN BORON CARBIDE CO Ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2012-06-27

Abstract

一种碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料及其制备方法，它是以碳化硼为基体，硼化锆为增强相热压烧结而成。与单组分碳化硼陶瓷相比，这种新型碳化硼－硼化锆复相陶瓷的烧结温度可降低100～200℃，烧结后的材料具有更高的弯曲强度和断裂韧性，硬度无显著下降，同时极大的改善了材料的加工性能，以利于碳化硼－硼化锆复相陶瓷复杂形状的加工，从而有效降低陶瓷材料的加工周期和成本，并可进行复杂结构件的制备。

Description

一种碳化硼-硼化锆复相陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

碳化硼具有硬度高、质量轻、耐磨损、耐腐蚀、耐高温、吸收中子等优良的性能，被广泛应用于机械、冶金、化工、核工业等领域。碳化硼是一种共价键化合物，具有较好的化学稳定性，使得其在制备陶瓷过程中烧结非常困难。国内、外通常采用的工艺都是在2200℃左右温度下热压烧结的方法，制造成本高，不能应用于异型和特殊产品的加工，限制了它的发展。

以ZrB₂为代表的过渡金属硼化物及其复合材料，具有优异的物理性能，包括高熔点、高的热导率、高的弹性模量，并能在高温下保持很高的强度，同时还具有良好的抗热震性和适中的热膨胀率，成为高温关键部位最有前途的候选材料。但是，单一的硼化物陶瓷无法同时满足在超高温下所要求的全部物理、化学和力学性能。所以，从材料设计角度选择不同的材料进行合理组合，是解决这一问题的唯一途径。

目前国内外在碳化硼和硼化锆陶瓷的复杂形状制品研究方面都进行了大量的工作，以求改进碳化硼和硼化锆陶瓷的烧结性能和加工性能，降低制造成本，扩大其应用领域，适应各行业发展对碳化硼的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了解决现有碳化硼陶瓷加工困难、制造成本高、形状简单的问题，提供一种适用于低成本加工的碳化硼－硼化锆复相陶瓷的制备方法。

本发明的技术解决方案是：一种碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料，是以碳化硼为基体，硼化锆为增强相热压烧结而成；

制备方法具体步骤如下：

（1）原料：采用B₄C粉末，加入量为60vol%～95vol%；

（2）增强体：选用ZrB₂颗粒为增强体，加入量为5vol%～40vol%；

（3）溶剂：选用无水乙醇或丙酮为溶剂；

（4）混料：将上述原料、增强体和溶剂进行湿混后再干燥；

（5）烧结：在真空或惰性气氛保护下，烧结温度1900～2100℃，烧结压力20～40MPa，烧结时间20～60分钟条件下热压烧结；

所述B₄C粉末和ZrB₂颗粒二者的体积比之和满足百分百。

本发明的技术效果是：与单组分碳化硼陶瓷相比，这种新型碳化硼－硼化锆复相陶瓷的烧结温度可降低100～200℃，烧结后的材料具有更高的弯曲强度和断裂韧性，硬度无显著下降，同时极大的改善了材料的加工性能，以利于碳化硼－硼化锆复相陶瓷复杂形状的加工，从而有效降低陶瓷材料的加工周期和成本，并可进行复杂结构件的制备。

附图说明

图1为烧结过程温度－时间曲线。

图2是碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的表面扫描照片。

具体实施方式

本发明采用碳化硼为基体，硼化锆为增强相，在1900～2100℃，20～40MPa，20～60分钟条件下进行热压烧结。

解决方案如下：以平均粒径小于10μm的碳化硼粉末为原料，加入平均粒径小于5μm的硼化锆粉末为增强相。其中碳化硼颗粒的加入量为二者总体积的60vol%～95vol%，硼化锆粉末的加入量为二者总体积的5vol%～40vol%。采用湿法高能球磨混料，干燥后，于真空或惰性气氛中烧结。烧结温度1900～2100℃，烧结压力20～40MPa，烧结时间20～60分钟，可得到相对密度达98%以上的新型碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料。

具体步骤如下：

（1）原料：采用B₄C粉末，平均粒径为0.5～10μm，加入量为60vol%～95vol%。

（2）增强体：选用ZrB₂颗粒为增强体，平均粒径为0.5～5μm，加入量为5vol%～40vol%。

（3）溶剂：选用无水乙醇或丙酮为溶剂。

（4）混料：将上述原料、增强体和溶剂按所需比例进行湿混，混合6～8小时后干燥。

（5）烧结：在真空或惰性气氛保护下在烧结温度1900～2100℃，烧结压力20～40MPa，烧结时间20～60分钟条件下热压烧结。

表1 为碳化硼陶瓷和碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的力学性能。图1为烧结过程温度与载荷的曲线，图2为碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的表面扫描照片，通过对比可见，加入硼化锆增强相后，改善了陶瓷材料的力学性能。

表1碳化硼陶瓷和碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的力学性能

Figure 2011104452428100002DEST_PATH_IMAGE001

根据碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的配比、烧结工艺、微观结构以及晶粒尺寸等因素，本发明碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的致密度＞95.0%，室温断裂韧性为6.3～7.0 MPa×m^1/2，三点弯曲强度为401.0～497.8 MPa，显微硬度为32.0～35.0GPa。

与单组分碳化硼陶瓷相比，由于硼化锆在碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料中所占比例不高，并作为增强相，有利于材料力学性能的提高。同时由于硼化锆粉末自身具有导电性，硼化锆粉末的加入显著改善了碳化硼－硼化锆复相陶瓷的加工特性，其加工不再依赖传统机械磨削等加工方法，采用精密电火花或电加工方法即可实现复杂形状的加工，此外，烧结温度的降低进一步提高了生产效率，降低了生产成本。

以下通过具体实施例对本发明作进一步的说明，以下实例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的范围。

1. 具体实施方式一：以平均粒度为5μm的B₄C粉末为原料，加入20vol%平均粒度为2μm的ZrB₂粉末为增强相。湿混球磨后进行干燥和过筛，在真空或惰性气氛保护下2100℃热压烧结，烧结压力为30MPa，保温时间60分钟。所制备材料的相对密度为96%。

2. 具体实施方式二：采用平均粒度为2μm的B₄C粉末为原料，加入40vol%平均粒度为2μm的ZrB₂粉末为增强相，于1950℃热压烧结，保温时间30分钟，其余条件如实施例1。所制备材料的相对密度为98.0%。

3. 具体实施方式三：采用平均粒度为0.5μm的B₄C粉末为原料，加入30vol%平均粒度为0.7μm的ZrB₂粉末为增强相，于1900℃热压烧结，保温时间30分钟，其余条件如实施例1。所制备材料的相对密度为98.5%。

4. 具体实施方式四：根据材料的不同配比，过渡金属硼化物～碳化硅复相陶瓷的成分配比见表2。

表2 碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的成分配比举例

Figure 2011104452428100002DEST_PATH_IMAGE002

Claims

1.一种碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料，其特征在于，它是以碳化硼为基体，硼化锆为增强相热压烧结而成；

制备方法具体步骤如下：

（1）原料：采用B₄C粉末，加入量为60vol%～95vol%；

（3）溶剂：选用无水乙醇或丙酮为溶剂；

（4）混料：将上述原料、增强体和溶剂进行湿混后再干燥；

所述B₄C粉末和ZrB₂颗粒二者的体积比之和满足百分百。

2.碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于，制备方法具体步骤如下：

（1）原料：采用B₄C粉末，加入量为60vol%～95vol%；

（3）溶剂：选用无水乙醇或丙酮为溶剂；

（4）混料：将上述原料、增强体和溶剂进行湿混后再干燥；

所述B₄C粉末和ZrB₂颗粒二者的体积比之和满足百分百。

3.如权利要求2所述的碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4为混合6～8小时后干燥。

4.如权利要求2所述的碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述B₄C粉末平均粒径小于10μm。

5.如权利要求2所述的碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述ZrB₂颗粒平均粒径小于5μm。

6.如权利要求2所述的碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述B₄C粉末平均粒径为0.5～10μm。

7.如权利要求2所述的碳化硼－硼化锆复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述ZrB₂颗粒平均粒径为0.5～5μm。