CN105174965A - 一种CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料及其制备方法，其中制备方法包括：混合步骤，将TiB2基体粉末与CNTs粉末混合，得到TiB2与CNTs的混合粉料；烧结步骤，通过放电等离子烧结方法烧结所述混合粉料，得到CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。根据本发明的CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料及其制备方法，通过CNTs增韧能够提高陶瓷复合材料的断裂韧性和抗热震性，采用SPS快速烧结技术可有效降低烧结时间和烧结温度，而且对晶粒异常长大起到抑制作用，从而使陶瓷复合材料具有良好的力学性能。

Description

一种CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料的制备方法，尤其涉及一种CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
随着高超声速飞行器高速、长时间、机动性的迫切需求，对防热材料的耐温性、抗热冲击性能提出了新的挑战。二硼化钛(TiB2)作为高熔点硼化物超高温陶瓷材料(UHTCs)的代表，因在高温下能够保持物理和化学的稳定性而成为最具有潜力的候选材料。
TiB2属于六方晶系C32型准合金化合物，原子结合方式是共价键和粒子键的混合，该键能方式决定了TiB2材料表现出陶瓷和金属的双重特性，表现出高熔点、高强度、高硬度和化学稳定性；但其作为陶瓷材料的本征脆性极大的限制了其作为结构部件的广泛应用。因此，改善TiB2陶瓷的韧性和抗热震性能，成为TiB2陶瓷材料广泛应用的瓶颈。
发明内容
本发明提供了一种CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料及其制备方法，通过CNTs增韧能够提高陶瓷复合材料的断裂韧性和抗热震性，采用SPS快速烧结技术可有效降低烧结时间和烧结温度，而且对晶粒异常长大起到抑制作用，从而使陶瓷复合材料具有良好的力学性能。
本发明的CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料的制备方法是通过以下步骤实现的：
S1：混合步骤，将TiB2基体粉末与CNTs粉末混合，得到TiB2与CNTs的混合粉料；
S2：烧结步骤，通过放电等离子烧结方法烧结所述混合粉料，得到CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。
优选地，S1步骤包括：
S11：混料步骤，将TiB2基体粉末与CNTs粉末混合并干燥，得到经干燥的混合粉料；和
S12：研磨，将所述经干燥的混合粉料研磨，得到经研磨的混合粉料。
优选地，所述TiB2基体粉末的平均粒度为10纳米至50纳米，和/或，所述CNTs粉末的平均粒度为10纳米至50纳米。
优选地，所述TiB2基体粉末的平均粒度为20纳米；和/或，所述CNTs粉末的平均粒度为20纳米。
优选地，所述TiB2基体粉末的体积分数为80％～85％；和/或，所述CNTs粉末的体积分数为15％～20％。
优选地，S11步骤通过如下方式进行：
通过球磨机利用二氧化锆球并且以无水乙醇为分散介质对TiB2基体粉末进行球磨分散，由此得到TiB2分散体；
将所述碳纳米管粉末分散至无水乙醇中，利用超声波震荡，从而得到CNTs分散体；
将所述TiB2分散体和所述CNTs分散体混合，再继续湿磨，得到TiB2和CNTs的复合浆料；
将所述复合浆料干燥，得到经烘干的混合粉料；以及
将所述经烘干的混合粉料置于恒温干燥箱于80℃干燥24小时。
优选地，所述球磨机为行星式球磨机。
优选地，所述球磨机的球质比为10:1。
优选地，球磨时间为4小时～6小时，和/或震荡时间为0.5小时～1.5小时，和/或湿磨时间为3小时～5小时。
优选地，球磨时间为5小时，和/或，振荡时间为1小时，和/或，湿磨时间为4小时。
优选地，所述干燥通过将所述复合浆料置于蒸发器上蒸发烘干来进行。
优选地，S12通过如下方式进行：对S11步骤中得到的经干燥的混合粉料置于玛瑙研钵中进行研磨，得到经研磨的混合粉料。
优选地，S2步骤通过如下方式进行：通过放电等离子烧结方法将TiB2和CNTs的混合粉料于真空或惰性气氛中烧结，然后冷却至室温，由此得到所述CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。
优选地，烧结压力为15Mpa～25Mpa，和/或烧结的保温时间为8分钟～15分钟，和/或烧结温度为1600℃～1800℃。
优选地，烧结压力为20Mpa，和/或烧结的保温时间为10分钟，和/或烧结温度为1700℃。
本发明还通过一种通过上述任一项所述的制备方法制得的CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。
本发明的CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料的制备方法包括：混合步骤，将TiB2基体粉末与CNTs粉末混合，得到TiB2与CNTs的混合粉料；烧结步骤，通过放电等离子烧结方法烧结所述混合粉料，得到CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。本发明的CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料及其制备方法，通过CNTs增韧能够提高陶瓷复合材料的断裂韧性和抗热震性，采用SPS快速烧结技术可有效降低烧结时间和烧结温度，而且对晶粒异常长大起到抑制作用，从而使陶瓷复合材料具有良好的力学性能。
附图说明
图1为根据本发明的一个优选实施例的CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料的制备方法的流程图。
图2显示了实施例1制备的CNTs增韧TiB2陶瓷材料。
图3显示了实施例1制备的CNTs增韧TiB2陶瓷材料的表面形貌。
图4显示了实施例1制备的CNTs增韧TiB2陶瓷材料的截面形貌。
图5为根据本发明的CNTs增韧TiB2陶瓷材料的断裂韧性与烧结温度的关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
陶瓷材料的脆性断裂主要是由于裂纹的扩展，理论上可通过增加裂纹扩展所需克服的势能、消耗或转换裂纹扩展的能量、分散裂纹尖端应力等方法有效提高陶瓷的断裂韧性。在TiB2陶瓷材料的情况中，本发明人发现提高TiB2陶瓷材料的断裂韧性还要避免陶瓷中出现大的裂纹源，这就需要改进TiB2陶瓷的烧结技术，以尽量抑制晶粒异常长大和应力集中现象的发生，从而获得高致密度低缺陷的TiB2材料。本发明的CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料及其制备方法，通过CNTs增韧陶瓷材料，能够提高陶瓷复合材料的断裂韧性和抗热震性，采用SPS快速烧结技术可有效降低烧结时间和烧结温度，对晶粒异常长大起到抑制作用，从而使陶瓷复合材料具有良好的力学性能。
本发明的CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料的制备方法包括：
S1：混合步骤，将TiB2基体粉末与CNTs粉末混合，得到TiB2与CNTs的混合粉料；
S2：烧结步骤，通过放电等离子烧结方法烧结混合粉料，得到CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。
在一些优选的实施方式中，为了使TiB2基体粉末与CNTs粉末混合均匀，S1步骤可以包括：
S11：混料步骤，将TiB2基体粉末与CNTs粉末混合并干燥，得到经干燥的混合粉料；和
S12：研磨，将经干燥的混合粉料研磨，得到经研磨的混合粉料。
在步骤S11中，TiB2基体粉末与CNTs粉末的粒度越小，经干燥的混合粉料中TiB2与CNTs有可能混合更加充分。TiB2基体粉末的平均粒度可以为10纳米至50纳米，优选地为20纳米；和/或，CNTs粉末的平均粒度可以为10纳米至50纳米，优选地为20纳米。根据本发明的优选实施例，TiB2与CNTs的混合粉料中，TiB2基体粉末的体积分数为80％～85％；和/或，CNTs粉末的体积分数为15％～20％。
当TiB2基体粉末与CNTs粉末的粒度一定时，二者的混合方式也会对TiB2与CNTs的混合粉料中TiB2与CNTs的分散性产生影响。为了使混合粉料中TiB2与CNTs混合尽量充分，S11步骤通过如下方式进行：
通过球磨机利用二氧化锆球并且以无水乙醇为分散介质对TiB2基体粉末进行球磨分散，由此得到TiB2分散体；ZrO2球具有较高的硬度和较好的化学稳定性，能够很好地防止杂质混入球磨机中；
将所述碳纳米管粉末分散至无水乙醇中，利用超声波震荡，从而得到CNTs分散体；
将所述TiB2分散体和CNTs分散体混合，再继续湿磨，得到TiB2和CNTs的复合浆料；
将复合浆料干燥，得到经烘干的混合粉料；以及
将经烘干的混合粉料置于恒温干燥箱于80℃干燥24小时。
对TiB2基体粉末进行球磨分散时，可以采用行星式球磨机进行球磨分散，球磨机的球质比可以为为10:1，球磨时间需要根据TiB2基体粉末的粒度、以及陶瓷材料拟达到的力学性能水平进行确认，优选地，球磨时间为4小时～6小时，更优选地为为5小时。
利用超声波震荡CNTs粉末与无水乙醇的混合物时，需要根据CNTs粉末的粒度、以及陶瓷材料拟达到的力学性能水平进行确认，优选地，震荡时间为0.5小时～1.5小时，更优选地为1小时。
对TiB2分散体和CNTs分散体的混合物进行湿磨时，湿磨的时间越长，混合物中TiB2与CNTs的分散性越好，优选地，湿磨时间为3小时～5小时，更优选地为4小时。
根据本发明的优选实施例，可以将复合浆料置于蒸发器上蒸发烘干，从而能够快速去除复合浆料中的液体。
S11步骤得到的经干燥的混合粉料需要进行研磨，以防止经干燥的混合粉料TiB2与CNTs混合不均匀。优选地，S12步骤通过如下方式进行：对S11步骤中得到的经干燥的混合粉料置于玛瑙研钵中进行研磨，得到经研磨的混合粉料。
通过S1步骤得到分散均匀的TiB2与CNTs的混合粉料，S2步骤中对该混合粉料进行烧结，具体地通过放电等离子烧结(也叫作SPS烧结)方法烧结该混合粉料，得到CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。
为了防止空气中的其它活性气体对烧结过程的影响，优选地，S2步骤通过如下方式进行：通过放电等离子烧结方法将TiB2和CNTs的混合粉料于真空或惰性气氛中烧结，然后冷却至室温，由此得到CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。
根据本发明的优选实施例，烧结压力为15Mpa～25Mpa，更优选地为20Mpa；和/或，烧结的保温时间为8分钟～15分钟，更优选地为10分钟；和/或，烧结温度为1600℃～1800℃，更优选地为1700℃。
图1示出了根据本发明的一个优选实施例中，CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料的制备方法流程图。
本发明还提供了本发明方法制备的CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。图5为根据本发明的CNTs增韧TiB2陶瓷材料的断裂韧性与烧结温度的关系图，从图中可以看出，在1600℃～1800℃的范围内，CNTs增韧TiB2陶瓷材料的断裂韧性随着温度的升高先增加后减小，当烧结温度为1700℃时，CNTs增韧TiB2陶瓷材料的断裂韧性最高。
实施例
下文将以实施例的形式对本发明作进一步说明。然而这些实施例只是就本发明的优选实施方式进行举例说明，本发明的保护范围不应解释为仅限于这些实施例。以下实施例所采用的TiB2基体粉末、CNTs粉末购自上海水田材料科技有限公司，粉末的纯度均高于99％。
实施例1
TiB2基体粉末和CNTs粉末的体积分数分别为80％和20％；采用常规工艺将TiB2基体粉末和CNTs粉末按所需比例进行称料，然后通过行星式球磨机利用二氧化锆球并且以无水乙醇为分散介质对TiB2基体粉末进行球磨5小时，，由此得到TiB2分散体；同时将CNTs粉末分散至无水乙醇中，利用超声波震荡1小时，得到CNTs分散体；将TiB2分散体和CNTs分散体混合，继续湿磨4小时得到TiB2和CNTs的复合浆料。随后将TiB2和CNTs的复合浆料置于蒸发器上蒸发烘干，最后置于80℃的恒温干燥箱干燥24小时。干燥后的混合粉料用玛瑙研钵反复研磨，研磨后得到的混合粉料于真空或惰性气氛中SPS烧结。烧结温度为1650℃，烧结压力为20MPa，烧结的保温时间为10分钟，冷却至室温后取出，得到CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。
图2显示了本实施例制备的CNTs增韧TiB2陶瓷材料。图3显示了本实施例制备的CNTs增韧TiB2陶瓷材料的表面形貌，图4显示了本实施例制备的CNTs增韧TiB2陶瓷材料的截面形貌。从图中可以看出CNTs较均匀的分布在基体中，且具有很好的长径比特征。
实施例2
除了表1中所列内容外，其它均按照与实施例相同的方式进行。
表1各实施例的工艺条件以及所制得的CNTs增韧TiB2基陶瓷材料的力学性能数据
注：实施例1-4中，CNTs较均匀的分布在基体中，且具有很好的长径比特征。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳纳米管CNTs增韧二硼化钛TiB2陶瓷复合材料的制备方法，包括：
S1：混合步骤，将TiB2基体粉末与CNTs粉末混合，得到TiB2与CNTs的混合粉料；
S2：烧结步骤，通过放电等离子烧结方法烧结所述混合粉料，得到CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤S1通过如下方式进行：
S11：混料步骤，将TiB2基体粉末与CNTs粉末混合并干燥，得到经干燥的混合粉料；和
S12：研磨，将所述经干燥的混合粉料研磨，得到经研磨的混合粉料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其中：
所述TiB2基体粉末的平均粒度为10纳米至50纳米，和/或，所述CNTs粉末的平均粒度为10纳米至50纳米。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其中：
所述TiB2基体粉末的体积分数为80％～85％；和/或，所述CNTs粉末的体积分数为15％～20％。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其中，S11步骤通过如下方式进行：
通过球磨机利用二氧化锆球并且以无水乙醇为分散介质对TiB2基体粉末进行球磨分散，由此得到TiB2分散体；
将所述碳纳米管粉末分散至无水乙醇中，利用超声波震荡，从而得到CNTs分散体；
将所述TiB2分散体和所述CNTs分散体混合，再继续湿磨，得到TiB2和CNTs的复合浆料；
将所述复合浆料干燥，得到经烘干的混合粉料；以及
将所述经烘干的混合粉料置于恒温干燥箱于80℃干燥24小时。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，球磨时间为4小时～6小时，和/或震荡时间为0.5小时～1.5小时，和/或湿磨时间为3小时～5小时。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其中，S12通过如下方式进行：对S11步骤中得到的经干燥的混合粉料置于玛瑙研钵中进行研磨，得到经研磨的混合粉料。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其中，S2步骤通过如下方式进行：通过放电等离子烧结方法将TiB2和CNTs的混合粉料于真空或惰性气氛中烧结，然后冷却至室温，由此得到所述CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，烧结压力为15Mpa～25Mpa，和/或烧结的保温时间为8分钟～15分钟，和/或烧结温度为1600℃～1800℃。
10.通过权利要求1至9中任一项所述的制备方法制得的CNTs增韧TiB2陶瓷复合材料。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106518085A (zh) * 2016-10-24 2017-03-22 哈尔滨工业大学 一种碳纳米管增韧二硼化铪超高温陶瓷复合材料及其制备方法
CN111850337A (zh) * 2020-07-31 2020-10-30 西安建筑科技大学 一种高温高强耐磨自润滑材料及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101462882A (zh) * 2009-01-21 2009-06-24 武汉理工大学 一种制备碳纳米管增强陶瓷的超快烧结方法
CN102978434A (zh) * 2012-12-13 2013-03-20 北京科技大学 一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101462882A (zh) * 2009-01-21 2009-06-24 武汉理工大学 一种制备碳纳米管增强陶瓷的超快烧结方法
CN102978434A (zh) * 2012-12-13 2013-03-20 北京科技大学 一种短纤维与颗粒协同增强铜基复合材料及其制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106518085A (zh) * 2016-10-24 2017-03-22 哈尔滨工业大学 一种碳纳米管增韧二硼化铪超高温陶瓷复合材料及其制备方法
CN111850337A (zh) * 2020-07-31 2020-10-30 西安建筑科技大学 一种高温高强耐磨自润滑材料及其制备方法

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