CN110759735A - 一种碳化硼陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种碳化硼陶瓷复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳化硼陶瓷复合材料及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。该碳化硼陶瓷复合材料的制备方法包括以下步骤：碳化硼和二硼化钛混在一起，并添加有机溶剂进行球磨处理，得到浆料；对上述浆料进行真空烘干，得到原料粉末；将上述原料粉末置于2000～2200℃的真空条件下进行热压烧结，得到所述的碳化硼陶瓷复合材料。本发明通过采用在碳化硼中添加二硼化钛作为烧结助剂，利用二硼化钛与碳化硼发生共晶反应，强化固溶和再结晶过程，促进元素扩散和烧结全致密化，从而可以提升碳化硼陶瓷复合材料的抗弯强度和断裂韧性，以获得具有全致密和高力学性能的碳化硼陶瓷复合材料。

Description

一种碳化硼陶瓷复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体是一种碳化硼陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
作为一种综合性能优异的新型陶瓷材料，碳化硼具有低密度、超高硬度、耐磨、耐高温、良好的化学稳定性及中子吸收能力等优良性能而被广泛的用作防弹装甲、高温耐磨材料、发动机喷嘴、反应堆控制材料和屏蔽材料。
由于碳化硼中共价键含量高达90％以上，并且其自扩散系数低，因此，目前的碳化硼陶瓷材料很难达到高致密度，其存在强度及韧性偏低等问题，难以满足现在实际应用中对高性能陶瓷材料的要求，并且碳化硼单相陶瓷韧性不足，这都极大地限制了碳化硼陶瓷的应用发展。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照质量分数计，称取以下组分：碳化硼65％～90％、二硼化钛10％～35％，各组分的质量分数之和为100％，备用；
S2、将上述称取的碳化硼和二硼化钛混在一起，并添加有机溶剂进行球磨处理，得到浆料；
S3、对上述浆料进行真空烘干，得到原料粉末；
S4、将上述原料粉末置于2000～2200℃的真空条件下进行热压烧结，得到所述的碳化硼陶瓷复合材料。
作为本发明实施例提供的一种优选方案，所述碳化硼的平均粒径为0.3～5μm；所述二硼化钛的平均粒径为0.1～3μm。
作为本发明实施例提供的另一种优选方案，所述的步骤S2中，有机溶剂为无水乙醇，球磨处理时的球料比为(2～8):1，球磨转速为200～500r/min。
作为本发明实施例提供的另一种优选方案，所述的步骤S4具体包括以下步骤：
S41、将上述原料粉末装入石墨模具内；
S42、将上述装有原料粉末的石墨模具置于真空条件下，并升温至2000～2200℃后，再进行热压烧结，得到所述的碳化硼陶瓷复合材料。
作为本发明实施例提供的另一种优选方案，所述的步骤S41中，石墨模具与原料粉末之间隔有一层0.1～0.5mm厚度的石墨纸。
作为本发明实施例提供的另一种优选方案，所述的步骤S42中，升温的过程为：先以10～30℃/min的升温速率将温度升至1600～1900℃后，再以5～10℃/min的升温速率将温度升至2000～2200℃。
作为本发明实施例提供的另一种优选方案，所述的步骤S42中，热压烧结时加压的压力为10～90MPa。
本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述制备方法制得的碳化硼陶瓷复合材料。
作为本发明实施例提供的另一种优选方案，所述碳化硼陶瓷复合材料的致密度大于99.9％；所述碳化硼陶瓷复合材料的抗弯强度为450～550MPa；所述碳化硼陶瓷复合材料的断裂韧性为5～6MPa·m1/2。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供的一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，原料简单、工艺简单，其通过采用在碳化硼中添加二硼化钛作为烧结助剂，利用二硼化钛与碳化硼发生共晶反应，强化固溶和再结晶过程，促进元素扩散和烧结全致密化。其中，未反应的二硼化钛会导致碳化硼陶瓷裂纹的偏转和桥连，从而可以提升碳化硼陶瓷复合材料的抗弯强度和断裂韧性，以获得具有全致密和高力学性能的碳化硼陶瓷复合材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
该实施例提供了一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)称取以下组分：碳化硼32.5g、二硼化钛17.5g，备用。其中，碳化硼的纯度为99wt％，平均粒径为0.3μm；二硼化钛的纯度为98.5wt％，平均粒径为0.1μm。
(2)将上述称取的碳化硼和二硼化钛混在一起置于球磨机中，并往球磨机中添加25mL无水乙醇和100g磨球进行球磨处理2h，得到浆料；其中，球磨的转速为200r/min。
(3)将上述浆料置于50℃的真空烘箱进行真空烘干24h，得到原料粉末；
(4)将上述原料粉末装入石墨模具内，其中石墨模具与原料粉末之间隔有一层0.1mm厚度的石墨纸。
(5)将上述装有原料粉末的石墨模具置于真空热压炉中，并以10℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至1600℃后，再以5℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至2000℃，然后对石墨模具内的原料粉末进行加压，并保温保压1h后，再自然冷却至室温，即可得到碳化硼陶瓷复合材料。其中，该步骤加压的压力为10MPa。另外，该碳化硼陶瓷复合材料可以作为反应堆控制材料、高温耐磨材料或者装甲材料等等。
实施例2
该实施例提供了一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)称取以下组分：碳化硼45g、二硼化钛5g，备用。其中，碳化硼的纯度为99.5wt％，平均粒径为5μm；二硼化钛的纯度为99wt％，平均粒径为3μm。
(2)将上述称取的碳化硼和二硼化钛混在一起置于球磨机中，并往球磨机中添加25mL无水乙醇和400g磨球进行球磨处理20h，得到浆料；其中，球磨的转速为500r/min。
(3)将上述浆料置于80℃的真空烘箱进行真空烘干12h，得到原料粉末。
(4)将上述原料粉末装入石墨模具内，其中石墨模具与原料粉末之间隔有一层0.5mm厚度的石墨纸。
(5)将上述装有原料粉末的石墨模具置于真空热压炉中，并以30℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至1900℃后，再以10℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至2200℃，然后对石墨模具内的原料粉末进行加压，并保温保压2.5h后，再自然冷却至室温，即可得到碳化硼陶瓷复合材料。其中，该步骤加压的压力为90MPa。另外，该碳化硼陶瓷复合材料可以作为反应堆控制材料、高温耐磨材料或者装甲材料等等。
实施例3
该实施例提供了一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)称取以下组分：碳化硼40g、二硼化钛10g，备用。其中，碳化硼的纯度为99.2wt％，平均粒径为3μm；二硼化钛的纯度为98.8wt％，平均粒径为2μm。
(2)将上述称取的碳化硼和二硼化钛混在一起置于球磨机中，并往球磨机中添加25mL无水乙醇和250g磨球进行球磨处理18h，得到浆料；其中，球磨的转速为300r/min。
(3)将上述浆料置于70℃的真空烘箱进行真空烘干18h，得到原料粉末。
(4)将上述原料粉末装入石墨模具内，其中石墨模具与原料粉末之间隔有一层0.3mm厚度的石墨纸。
(5)将上述装有原料粉末的石墨模具置于真空热压炉中，并以20℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至1800℃后，再以8℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至2100℃，然后对石墨模具内的原料粉末进行加压，并保温保压2h后，再自然冷却至室温，即可得到碳化硼陶瓷复合材料。其中，该步骤加压的压力为50MPa。另外，该碳化硼陶瓷复合材料可以作为反应堆控制材料、高温耐磨材料或者装甲材料等等。
实施例4
该实施例提供了一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)称取以下组分：碳化硼45g、二硼化钛5g，备用。其中，碳化硼的纯度为99.5wt％，平均粒径为3μm；二硼化钛的纯度为99wt％，平均粒径为0.7μm。
(2)将上述称取的碳化硼和二硼化钛混在一起置于球磨机中，并往球磨机中添加25mL无水乙醇和250g磨球进行球磨处理8h，得到浆料；其中，球磨的转速为300r/min。
(3)将上述浆料置于50℃的真空烘箱进行真空烘干24h，得到原料粉末。
(4)将上述原料粉末装入石墨模具内，其中石墨模具与原料粉末之间隔有一层0.1mm厚度的石墨纸。
(5)将上述装有原料粉末的石墨模具置于真空热压炉中，并以10℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至1800℃后，再以5℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至2100℃，然后对石墨模具内的原料粉末进行加压，并保温保压1h后，再自然冷却至室温，即可得到碳化硼陶瓷复合材料。其中，该步骤加压的压力为25MPa。另外，该碳化硼陶瓷复合材料可以作为反应堆控制材料、高温耐磨材料或者装甲材料等等。
实施例5
该实施例提供了一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)称取以下组分：碳化硼40g、二硼化钛10g，备用。其中，碳化硼的纯度为99.5wt％，平均粒径为1.5μm；二硼化钛的纯度为99wt％，平均粒径为0.7μm。
(2)将上述称取的碳化硼和二硼化钛混在一起置于球磨机中，并往球磨机中添加25mL无水乙醇和350g磨球进行球磨处理12h，得到浆料；其中，球磨的转速为200r/min。
(3)将上述浆料置于80℃的真空烘箱进行真空烘干20h，得到原料粉末；
(4)将上述原料粉末装入石墨模具内，其中石墨模具与原料粉末之间隔有一层0.1mm厚度的石墨纸。
(5)将上述装有原料粉末的石墨模具置于真空热压炉中，并以10℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至1800℃后，再以5℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至2000℃，然后对石墨模具内的原料粉末进行加压，并保温保压1h后，再自然冷却至室温，即可得到碳化硼陶瓷复合材料。其中，该步骤加压的压力为25MPa。另外，该碳化硼陶瓷复合材料可以作为反应堆控制材料、高温耐磨材料或者装甲材料等等。
实施例6
该实施例提供了一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)称取以下组分：碳化硼45g、二硼化钛5g，备用。其中，碳化硼的纯度为99.5wt％，平均粒径为1μm；二硼化钛的纯度为99wt％，平均粒径为0.5μm。
(2)将上述称取的碳化硼和二硼化钛混在一起置于球磨机中，并往球磨机中添加25mL无水乙醇和350g磨球进行球磨处理12h，得到浆料；其中，球磨的转速为200r/min。
(3)将上述浆料置于80℃的真空烘箱进行真空烘干20h，得到原料粉末；
(4)将上述原料粉末装入石墨模具内，其中石墨模具与原料粉末之间隔有一层0.1mm厚度的石墨纸。
(5)将上述装有原料粉末的石墨模具置于真空热压炉中，并以10℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至1800℃后，再以5℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至2000℃，然后对石墨模具内的原料粉末进行加压，并保温保压1h后，再自然冷却至室温，即可得到碳化硼陶瓷复合材料。其中，该步骤加压的压力为25MPa。另外，该碳化硼陶瓷复合材料可以作为反应堆控制材料、高温耐磨材料或者装甲材料等等。
对比例1
该对比例提供了一种碳化硼陶瓷材料，其制备方法如下：
(1)称取碳化硼50g，其中，碳化硼的纯度为99.5wt％，平均粒径为1.5μm。
(2)将上述称取的碳化硼置于球磨机中，并往球磨机中添加25mL无水乙醇和350g磨球进行球磨处理12h，得到浆料；其中，球磨的转速为200r/min。
(3)将上述浆料置于80℃的真空烘箱进行真空烘干20h，得到原料粉末；
(4)将上述原料粉末装入石墨模具内，其中石墨模具与原料粉末之间隔有一层0.1mm厚度的石墨纸。
(5)将上述装有原料粉末的石墨模具置于真空热压炉中，并以10℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至1800℃后，再以5℃/min的升温速率将真空热压炉的温度升至2050℃，然后对石墨模具内的原料粉末进行加压，并保温保压1h后，再自然冷却至室温，即可得到碳化硼陶瓷材料。
对比例2
该对比例提供了一种碳化硼陶瓷材料，其制备方法如下：
(1)称取以下组分：碳化硼45g、二硼化钛5g，备用。其中，碳化硼的纯度为99.5wt％，平均粒径为3μm；二硼化钛的纯度为99wt％，平均粒径为0.7μm。
(2)将上述称取的碳化硼和二硼化钛混在一起置于球磨机中，并往球磨机中添加25mL无水乙醇和250g磨球进行球磨处理8h，得到浆料；其中，球磨的转速为300r/min。
(3)将上述浆料置于50℃的真空烘箱进行真空烘干24h，得到原料粉末。
(4)将原料粉末装入模具内干压成型，成型后进行冷等静压处理，压力为200MPa，保压时间为8min，得到生坯。
(5)将生坯置于真空炉中烧结，并以10℃/min的升温速率将真空炉的温度升至1800℃后，再以5℃/min的升温速率将真空炉的温度升至2100℃，保温1h，随炉冷却后得到复合陶瓷材料。
对上述实施例4～6以及对比例1～2得到的材料分别进行致密度、抗弯强度和断裂韧性等性能的测试，其测试结果如下表1所示。
表1
性能 致密度(％) 抗弯强度(MPa) 断裂韧性(MPa·m<sup>1/2</sup>)
实施例4 99.98 520 5.8
实施例5 99.93 490 5.3
实施例6 99.96 510 5.6
对比例1 99.2 420 4.3
对比例2 94.5 330 4.5
从上表不难知道，通过本发明实施例提供的制备方法制得的碳化硼陶瓷复合材料具有较高的致密度、较高的抗弯强度和较高的断裂韧性。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按照质量分数计，称取以下组分：碳化硼65％～90％、二硼化钛10％～35％，各组分的质量分数之和为100％，备用；
S2、将上述称取的碳化硼和二硼化钛混在一起，并添加有机溶剂进行球磨处理，得到浆料；
S3、对上述浆料进行真空烘干，得到原料粉末；
S4、将上述原料粉末置于2000～2200℃的真空条件下进行热压烧结，得到所述的碳化硼陶瓷复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳化硼的平均粒径为0.3～5μm；所述二硼化钛的平均粒径为0.1～3μm。
3.根据权利要求1所述的一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤S2中，有机溶剂为无水乙醇，球磨处理时的球料比为(2～8):1，球磨转速为200～500r/min。
4.根据权利要求1所述的一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包括以下步骤：
S41、将上述原料粉末装入石墨模具内；
S42、将上述装有原料粉末的石墨模具置于真空条件下，并升温至2000～2200℃后，再进行热压烧结，得到所述的碳化硼陶瓷复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤S41中，石墨模具与原料粉末之间隔有一层0.1～0.5mm厚度的石墨纸。
6.根据权利要求4所述的一种碳化硼陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤S42中，升温的过程为：先以10～30℃/min的升温速率将温度升至1600～1900℃后，再以5～10℃/min的升温速率将温度升至2000～2200℃；热压烧结时加压的压力为10～90MP a。
7.一种如权利要求1～6中任一项所述制备方法制得的碳化硼陶瓷复合材料。
8.根据权利要求7所述的碳化硼陶瓷复合材料，其特征在于，所述碳化硼陶瓷复合材料的致密度大于99.9％；所述碳化硼陶瓷复合材料的抗弯强度为450～550MPa；所述碳化硼陶瓷复合材料的断裂韧性为5～6MPa·m1/2。
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