CN103771859A

CN103771859A - 一种碳化硅／硼化钨复合材料及其制备方法

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Publication number: CN103771859A
Application number: CN201410075532.1A
Authority: CN
Inventors: 陈继新; 赵国瑞; 孙连东; 苗磊; 李美栓; 周延春
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-03-03
Also published as: CN103771859B

Abstract

本发明涉及陶瓷基复合材料领域，具体为一种碳化硅／硼化钨复合材料及其制备方法。该复合材料由钨二硼五增强相和碳化硅基体组成，钨二硼五增强相均匀弥散地分布于碳化硅基体中。采用碳化钨粉、碳化硼粉和硅粉，或者碳化钨粉、碳化硼粉、硅粉和碳化硅粉、钨二硼五粉之一种或两种为原料，经物理机械方法混合8～24小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10～20MPa；在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为1～20℃/分钟，烧结温度为1600～2000℃、烧结时间为0.5～3小时、烧结压强为10～300MPa。采用本发明方法能够实现原位合成制备碳化硅／硼化钨复合材料，其最佳性能为：硬度30GPa，抗弯强度达到900MPa，断裂韧性为6.1MPa·m^1/2，电导率为6×10⁵Ω^-1m^-1。

Description

一种碳化硅/硼化钨复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料领域，具体为一种碳化硅／硼化钨复合材料及其制备方法，通过原位合成板条状钨二硼五(W₂B₅）增强碳化硅（SiC）基复合材料。

背景技术

碳化硅(SiC)是一种较早为人们所研究并获得广泛应用的难熔非氧化物陶瓷。SiC具有极好的高温强度、优良的耐热、耐磨性，化学稳定性及半导体特性，因而在原子能、燃汽轮机、航天航空、机械、化工和电子技术等许多领域都有广泛的应用前景。然而，纯SiC极难致密，文献1：JS Nadeau,Am.Ceram.Soc.Bull.52,70(1973)，报道了纯SiC粉末的热压需在2500℃、50MPa的高温高压下才能获得接近理论密度的烧结体。如此高的烧结温度极大地提高了碳化硅的生产成本，限制了其应用，通常需要添加烧结助剂来实现材料致密化。碳化硅的硬度极高，且导电性不佳，很难加工成型，因此加工成本极高，这也限制了其应用。

钨二硼五（硼化钨W₂B₅）是W-B体系内非常重要的一种中间相，其具有高的熔点（2365℃），高的硬度（27GPa），高的电导率（3.03×10⁶Ω^-1m^-1）。然而，由于单相W₂B₅的合成非常困难，对其性能的报道还是非常少见的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种力学性能好、制备工艺条件容易控制、操作简单、成本低的碳化硅/硼化钨复合材料及其制备方法，解决单相碳化硅难致密、难以加工成型、导电性不佳，以及单相硼化钨的合成困难，导致碳化硅和硼化钨的优越性无法得到充分发挥等问题。

本发明的技术方案是：

一种碳化硅／硼化钨复合材料，该复合材料由钨二硼五增强相和碳化硅基体组成，钨二硼五增强相均匀弥散地分布于碳化硅基体中，其中碳化硅与钨二硼五的摩尔比为（10～20）:（2～8）。

所述的碳化硅与钨二硼五的优选摩尔比为13:4。

所述的碳化硅基体的晶粒尺寸0.5～2微米，钨二硼五的形貌为板条状晶粒，其长径比为3～14，且晶粒之间形成互锁结构。

所述的碳化硅／硼化钨复合材料的制备方法，根据所要获得的碳化硅与钨二硼五摩尔比，采用碳化钨WC粉、碳化硼B₄C粉和硅Si粉，或者碳化钨WC粉、碳化硼B₄C粉、硅Si粉和碳化硅SiC粉、钨二硼五W₂B₅粉之一种或两种为原料，其中WC：B₄C：Si的摩尔比为8:5:13；原料粉经物理机械方法混合8～24小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10～20MPa，时间5～20分钟；在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为1～20℃/分钟，烧结温度为1600～2000℃、烧结时间为0.5～3小时、烧结压强为10～300MPa。

所述的碳化硅／硼化钨复合材料的制备方法，当碳化硅与钨二硼五的摩尔比为13:4时，采用碳化钨WC粉、碳化硼B₄C粉和硅Si粉为原料，其中WC：B₄C：Si的摩尔比为8:5:13；原料粉经物理机械方法混合8～24小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10～20MPa，时间5～20分钟；在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为1～20℃/分钟，烧结温度为1600～2000℃、烧结时间为0.5～3小时、烧结压强为10～300MPa。

所述的原料粉原位热压发生的化学反应为：

8WC＋5B₄C＋13Si→13SiC＋4W₂B₅。

所述的碳化钨粉粒度范围为0.5～10微米，碳化硼粉的粒度范围为1～10微米；硅粉粒度范围为200～400目。

所述的烧结方式为热压或热等静压烧结。

所述的惰性气体为氩气或氦气。

所述的物理机械方法混合为在聚氨酯球磨罐中干混或在酒精介质中球磨。

本发明的优点是：

1、本发明碳化硅／硼化钨复合材料具有高硬度、高强度和高韧性等特点，同时复合材料具有良好的导电性，可以采用线切割的方式进行加工，降低了加工成本。该复合材料不仅可以作为原子能、燃汽轮机、航天航空、化工和机械刀具等备选结构材料，也可以考虑作为一种导电陶瓷使用。

2、本发明原位制备方法工艺简单、成本低。

3、本发明采用碳化钨粉、碳化硼粉和硅粉，或者碳化钨粉、碳化硼粉、硅粉和碳化硅SiC粉、钨二硼五W₂B₅粉之一种或两种为原料，原位制备由均匀分布的碳化硅和钨二硼五两相组成的复合材料，可通过额外添加碳化硅或钨二硼五作为原料，从而拓展得到其它组分配比的复合材料。

附图说明

图1.SiC-W₂B₅复合材料的X射线衍射谱。

图2.SiC-W₂B₅复合材料的背散射电子照片。

具体实施方式

本发明碳化硅/硼化钨复合材料包含钨二硼五增强相和碳化硅基体，其中碳化硅的晶粒尺寸在2微米以下，板条状钨二硼五增强相均匀弥散地分布于碳化硅基体中，其长径比约为3～14，且晶粒之间形成互锁结构。碳化硅/硼化钨复合材料中，碳化硅与钨二硼五的摩尔比为（10～20）:（2～8），该材料密度为6.5～7.5g·cm^-3。

该碳化硅／硼化钨复合材料的制备方法，根据所要获得的碳化硅与钨二硼五摩尔比，采用碳化钨WC粉、碳化硼B₄C粉和硅Si粉，或者碳化钨WC粉、碳化硼B₄C粉、硅Si粉和碳化硅SiC粉、钨二硼五W₂B₅粉之一种或两种为原料，其中WC：B₄C：Si的摩尔比为8:5:13；原料粉经物理机械方法混合8～24小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10～20MPa，时间5～20分钟；在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为1～20℃/分钟，烧结温度为1600～2000℃、烧结时间为0.5～3小时、烧结压强为10～300MPa。原料粉原位热压发生的化学反应为：

8WC＋5B₄C＋13Si→13SiC＋4W₂B₅。

其中，碳化钨粉粒度范围为0.5～10微米，碳化硼粉的粒度范围为1～10微米，硅粉粒度范围为200～400目，碳化硅SiC粉的粒度范围为1～10微米，钨二硼五W₂B₅粉的粒度范围为1～10微米。烧结方式为热压烧结或热等静压烧结。惰性气体为氩气或氦气。物理机械方法混合为在聚氨酯球磨罐中干混或在酒精介质中球磨。优选的，升温速率为5～20℃/分钟，烧结温度为1800～2000℃，烧结时间为0.5～1小时，烧结压强为10～40MPa。

本发明中，所获得碳化硅／硼化钨复合材料的性能范围如下：

硬度为15～30GPa，弯曲强度为500～900MPa，断裂韧性为5.0～6.1MPa·m^1/2，电导率为1×10⁵～6×10⁵Ω^-1m^-1。

本发明中，所获得碳化硅／硼化钨复合材料的最佳性能如下：

硬度为30GPa，抗弯强度达到900MPa，断裂韧性为6.1MPa·m^1/2，电导率为6×10⁵Ω^-1m^-1。

下面通过附图和实施例进一步详述本发明。

实施例1

将粒度为0.5微米的碳化钨粉35.5克、0.5微米的碳化硼粉6.2克和粒度为200目的硅粉8.3克在聚氨酯球磨罐中球磨24小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为20MPa；然后，进行热等静压，升温速率为20℃/分钟，加热到1600℃保温3小时，同时压强逐渐加到300MPa。整个烧结过程都是在氩气保护下进行。将获得的反应产物进行XRD分析，可以发现制备的复合材料仅由SiC和W₂B₅两相组成，复合材料中碳化硅与钨二硼五的摩尔比为13:4，其中碳化硅的晶粒尺寸为1微米。在制备的复合材料中板条状的W₂B₅晶粒较为均匀的弥散分布在SiC基体中，同时W₂B₅晶粒之间相互贯通形成互锁结构。本实施例中，该材料密度为6.5g·cm^-3。力学性能测试表明：得到的复合材料的硬度为19GPa，弯曲强度为596MPa，断裂韧性为5.2MPa·m^1/2，电导率为1×10⁵Ω^-1m^-1。

实施例2

将粒度为2微米的碳化钨粉35.5克、5微米的碳化硼粉6.2克和粒度为300目的硅粉8.3克在聚氨酯球磨罐中球磨24小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为20MPa；然后，放入热压炉内热压烧结，升温速率为10℃/分钟，加热到1900℃保温1小时，同时压强逐渐加到40MPa。整个烧结过程都是在氩气（或氦气）保护下进行。将获得的反应产物进行XRD分析（见图1），可以发现制备的复合材料仅由SiC和W₂B₅两相组成。复合材料中碳化硅与钨二硼五的摩尔比为13:4，其中碳化硅的晶粒尺寸为2微米。在制备的复合材料中板条状的W₂B₅晶粒（白色）较为均匀的弥散分布在SiC基体(灰色)中，同时W₂B₅晶粒之间相互贯通形成互锁结构（见图2）。本实施例中，该材料密度为7.3g·cm^-3。力学性能测试表明：得到的复合材料的硬度为30GPa，弯曲强度为900MPa，断裂韧性为6.1MPa·m^1/2，电导率为6×10⁵Ω^-1m^-1。

实施例3

将粒度为10微米的碳化钨粉35.5克、10微米的碳化硼粉6.2克和粒度为400目的硅粉8.3克在聚氨酯球磨罐中球磨24小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为20MPa；然后，放入热压炉内热压烧结，升温速率为5℃/分钟，加热到2000℃保温30分钟，同时压强逐渐加到10MPa。整个烧结过程都是在氩气（或氦气）保护下进行。将获得的反应产物进行XRD分析，可以发现制备的复合材料仅由SiC和W₂B₅两相组成。复合材料中碳化硅与钨二硼五的摩尔比为13:4，其中碳化硅的晶粒尺寸为0.5微米。在制备的复合材料中板条状的W₂B₅晶粒较为均匀的弥散分布在SiC基体中，同时W₂B₅晶粒之间相互贯通形成互锁结构。本实施例中，该材料密度为6.9g·cm^-3。力学性能测试表明：硬度为21GPa，弯曲强度为720MPa，断裂韧性为5.8MPa·m^1/2，电导率为3×10⁵Ω^-1m^-1。

实施例4

将粒度为1微米的碳化钨粉35.5克、1微米的碳化硼粉6.2克、粒度为200目的硅粉8.3克和粒度为1微米的碳化硅粉4.5克在聚氨酯球磨罐中球磨8小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为12MPa；然后，进行热等静压，升温速率为8℃/分钟，加热到1700℃保温2小时，同时压强逐渐加到200MPa。整个烧结过程都是在氩气保护下进行。将获得的反应产物进行XRD分析，可以发现制备的复合材料仅由SiC和W₂B₅两相组成，复合材料中碳化硅与钨二硼五的摩尔比为18:4，其中碳化硅的晶粒尺寸为0.8微米。在制备的复合材料中板条状的W₂B₅晶粒较为均匀的弥散分布在SiC基体中，同时W₂B₅晶粒之间相互贯通形成互锁结构。本实施例中，该材料密度为7.0g·cm^-3。力学性能测试表明：得到的复合材料的硬度为28GPa，弯曲强度为765MPa，断裂韧性为5.5MPa·m^1/2，电导率为1×10⁵Ω^-1m^-1。

实施例5

将粒度为8微米的碳化钨粉35.5克、8微米的碳化硼粉6.2克、粒度为300目的硅粉8.3克和粒度为8微米的钨二硼五粉38.2克在聚氨酯球磨罐中球磨16小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为15MPa；然后，放入热压炉内热压烧结，升温速率为15℃/分钟，加热到1800℃保温1.5小时，同时压强逐渐加到100MPa。整个烧结过程都是在氦气保护下进行。将获得的反应产物进行XRD分析，可以发现制备的复合材料仅由SiC和W₂B₅两相组成。复合材料中碳化硅与钨二硼五的摩尔比为13:8，其中碳化硅的晶粒尺寸为1.5微米。在制备的复合材料中板条状的W₂B₅晶粒较为均匀的弥散分布在SiC基体中，同时W₂B₅晶粒之间相互贯通形成互锁结构。本实施例中，该材料密度为7.2g·cm^-3。力学性能测试表明：硬度为25GPa，弯曲强度为837MPa，断裂韧性为6.0MPa·m^1/2，电导率为6×10⁵Ω^-1m^-1。

实施例结果表明，本发明利用原位热压反应的方法合成了两者的复合材料，充分发挥了碳化硅和硼化钨两者的优势，制备出了综合性能较为优异的碳化硅/硼化钨复合材料。

Claims

1.一种碳化硅／硼化钨复合材料，其特征在于：该复合材料由钨二硼五增强相和碳化硅基体组成，钨二硼五增强相均匀弥散地分布于碳化硅基体中，其中碳化硅与钨二硼五的摩尔比为（10～20）:（2～8）。

2.按照权利要求1所述的碳化硅／硼化钨复合材料，其特征在于：优选的，碳化硅与钨二硼五的摩尔比为13:4。

3.按照权利要求1所述的碳化硅／硼化钨复合材料，其特征在于：碳化硅基体的晶粒尺寸0.5～2微米，钨二硼五的形貌为板条状晶粒，其长径比为3～14，且晶粒之间形成互锁结构。

4.一种权利要求1所述的碳化硅／硼化钨复合材料的制备方法，其特征在于：根据所要获得的碳化硅与钨二硼五摩尔比，采用碳化钨WC粉、碳化硼B₄C粉和硅Si粉，或者碳化钨WC粉、碳化硼B₄C粉、硅Si粉和碳化硅SiC粉、钨二硼五W₂B₅粉之一种或两种为原料，其中WC：B₄C：Si的摩尔比为8:5:13；原料粉经物理机械方法混合8～24小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10～20MPa，时间5～20分钟；在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为1～20℃/分钟，烧结温度为1600～2000℃、烧结时间为0.5～3小时、烧结压强为10～300MPa。

5.一种权利要求2所述的碳化硅／硼化钨复合材料的制备方法，其特征在于：当碳化硅与钨二硼五的摩尔比为13:4时，采用碳化钨WC粉、碳化硼B₄C粉和硅Si粉为原料，其中WC：B₄C：Si的摩尔比为8:5:13；原料粉经物理机械方法混合8～24小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10～20MPa，时间5～20分钟；在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为1～20℃/分钟，烧结温度为1600～2000℃、烧结时间为0.5～3小时、烧结压强为10～300MPa。

6.按照权利要求4或5所述的碳化硅／硼化钨复合材料的制备方法，其特征在于，原料粉原位热压发生的化学反应为：

8WC＋5B₄C＋13Si→13SiC＋4W₂B₅。

7.按照权利要求4或5所述的碳化硅／硼化钨复合材料的制备方法，其特征在于，碳化钨粉粒度范围为0.5～10微米，碳化硼粉的粒度范围为1～10微米；硅粉粒度范围为200～400目。

8.按照权利要求4或5所述的碳化硅／硼化钨复合材料的制备方法，其特征在于，烧结方式为热压或热等静压烧结。

9.按照权利要求4或5所述的碳化硅／硼化钨复合材料的制备方法，其特征在于，惰性气体为氩气或氦气。

10.按照权利要求4或5所述的碳化硅／硼化钨复合材料的制备方法，其特征在于，物理机械方法混合为在聚氨酯球磨罐中干混或在酒精介质中球磨。