CN111217366A - 一种鳞片石墨原位反应包覆碳化硼的方法 - Google Patents

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Abstract

一种高导热钛材用鳞片石墨原位反应包覆碳化硼的方法，属于金属基复合材料研究领域。碳材料鳞片石墨以其优异的导热性以及密度低等特点可有望提高钛材的导热率。但是在高温制备过程中，钛基体容易与石墨发生反应生成过厚碳化钛层，严重影响复合材料整体热导率。将鳞片石墨表面包覆一定厚度的碳化硼层再与钛进行复合，可有效阻止碳化钛层的生成，从而提高最终所制备材料的导热率。本发明提出了一种在鳞片石墨表面原位反应包覆碳化硼的方法，即通过粉末冶金方法，借助于Cu，可实现鳞片石墨表面碳化硼层的均匀包覆，并且厚度可控，可有效解决盐浴、磁控溅射等方法存在的物料与残渣分离、厚度难以控制、镀层易剥落等问题。

Description

一种鳞片石墨原位反应包覆碳化硼的方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料研究领域，发明了一种高导热钛材用鳞片石墨原位反应包覆碳化硼的方法。
背景技术
钛基复合材料具有低密度、高强度、耐腐蚀、抗氧化、无磁性等特点，在飞机、汽车、化工和石化等行业得到了广泛的应用。随着工业化的快速发展，对高导热的钛材料的需求也日益增加，而钛的低热导率限制了其进一步发展。碳材料鳞片石墨以其优异的导热性以及密度低等特点，有望大幅度提高钛材的导热率。钛与鳞片石墨于高温时易在界面处发生反应，且反应程度难以控制，容易产生过厚的碳化钛界面层。复合材料的热导率不仅与基体以及增强体材料的热导率有关，更与两相之间的界面过渡层有关，过厚的过渡层将严重影响复合材料整体热导率。
将鳞片石墨表面包覆碳化硼后再与Ti粉混合进行热压烧结，可有效避免鳞片石墨与钛的直接接触，从而阻止二者的过度反应，可大幅度提高鳞片石墨/Ti复合材料的导热率。对于鳞片石墨表面包覆碳化硼，采用目前的磁控溅射、盐浴等方法，很难使得碳化硼在鳞片石墨表面厚度可控、包覆均匀完整。
发明内容
本发明通过粉末冶金方法，借助于Cu，可实现鳞片石墨表面碳化硼层的均匀包覆，并且厚度可控。
一种高导热钛材用鳞片石墨原位反应包覆碳化硼的方法，其特征在于：
(1)将一定比例的Cu粉末、B粉末以及鳞片石墨在无水乙醇的作用下混合均匀得到混合料，其中，Cu粉末粒度为45-50um；B粉末粒度为10-15um；B粉末与Cu粉末的质量比根据最终所包覆碳化硼的厚度确定，Cu和B的混合粉末与鳞片石墨体积比控制在(40-60)％：(40-60)％；碳化硼的厚度范围为0.1-2um时，B在混合粉末中的质量占比为1％-7％。
(2)将混合料装模预压成坯体，并真空干燥；
(3)然后将干燥后的坯体真空热压烧结得到鳞片石墨/碳化硼/铜复合材料；
(4)通过硝酸(HNO3)溶液浸泡直至将铜全部溶解，待清洗并干燥后得到表面包覆碳化硼的鳞片石墨。
进一步地，步骤(1)所述Cu粉末与B粉末的混合是在氩气保护下下进行，无水乙醇占粉末体积的10％，混合方式是球磨混合球料比为10：1，球磨速度为300r/min，球磨时间为120min。
进一步地，步骤(2)所述预压是将混合料倒入石墨模具，在25-30MPa下预先压实，在真空干燥炉中对压制坯体中残留无水乙醇进行干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为12h。
进一步地，步骤(3)所述热压烧结是将干燥完成后的坯体放置于石墨模具中进行真空热压烧结，具体加压烧结制度：压制压力为55MPa；加热温度从室温升高至1020℃，升温速率为10-15℃/min，在真空气氛中保温30min，然后样品炉内冷却至室温。
进一步地，步骤(4)所述溶解是将热压烧结得到的样品浸泡于硝酸(HNO3)溶液中，直至将样品中的Cu全部溶解，用无水乙醇清洗掉硝酸溶液后，干燥可得表面包覆碳化硼的鳞片石墨。
根据Cu-B二元相图可知，在1020℃的烧结温度下，B在Cu中的固溶度约为1.7wt.％，而Cu在B中的固溶度可达15wt.％。因此，预混合粉末中的B与Cu在烧结过程中会发生互扩散形成固溶体，之后在鳞片石墨界面处与石墨发生反应生成碳化硼进而包覆在石墨表面，后续可通过化学试剂浸泡将Cu溶解。
本发明的优点在于，鳞片石墨表面的碳化硼层厚度可控，包覆均匀；碳化硼与鳞片石墨的结合强度高，大大减小包覆层剥落现象，可有效解决盐浴、磁控溅射等存在的物料与残渣分离、厚度难以控制、镀层易剥落等问题。
附图说明：
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式:
实施例1：制备表面碳化硼包覆层厚度为0.5um的鳞片石墨
(1)称取90.8g Cu粉末、2.3g B粉末通过球磨方式混合均匀，球料比为10：1，球磨速度为300r/min，球磨时间为120min，球磨过程在氩气保护气氛中进行。Cu粉末粒度为45-50um；B粉末粒度为10-15um；
(2)将混合后的粉末与24.0g鳞片石墨在无水乙醇液体的作用下混合均匀。鳞片状石墨的的平均粒径为1000-1200μm，平均厚度为30-50μm；
(3)将混合料在30MPa压力下装模预压，得到坯体，坯体在真空干燥炉中干燥，去除残留的无水乙醇，干燥温度为100℃，干燥时间为12h；
(4)将干燥后的坯体放置于石墨模具中在真空环境下进行热压烧结。其中，压制压力为55MPa，加热温度从室温升高至1020℃，升温速率为10℃/min，保温时间为30min，然后样品炉内冷却至室温；
(5)将样品浸泡于硝酸溶液(HNO3)中，直至Cu全部溶解后，清洗残留硝酸并干燥得到表面包覆厚度为0.5um碳化硼层的鳞片石墨。
实施例2：制备表面碳化硼包覆层厚度为1um的鳞片石墨
(1)称取86.8g Cu粉末、4.6g B粉末通过球磨方式混合均匀，球料比为10：1，球磨速度为300r/min，球磨时间为120min，球磨过程在氩气保护气氛中进行。Cu粉末粒度为45-50um；B粉末粒度为10-15um；
(2)将混合后的粉末与24.0g鳞片石墨在无水乙醇液体的作用下混合均匀。鳞片状石墨的的平均粒径为1000-1200μm，平均厚度为30-50μm；
(3)将混合料在30MPa压力下装模预压，得到坯体，坯体在真空干燥炉中干燥，去除残留的无水乙醇，干燥温度为100℃，干燥时间为12h；
(4)将干燥后的坯体放置于石墨模具中在真空环境下进行热压烧结。其中，压制压力为55MPa，加热温度从室温升高至1020℃，升温速率为10℃/min，保温时间为30min，然后样品炉内冷却至室温；
(5)将样品浸泡于硝酸溶液(HNO3)中，直至Cu全部溶解后，清洗残留硝酸并干燥得到表面包覆厚度为1um碳化硼层的鳞片石墨。

Claims (5)

1.一种高导热钛材用鳞片石墨原位反应包覆碳化硼的方法，其特征在于：
(1)将一定比例的Cu粉末、B粉末以及鳞片石墨在无水乙醇的作用下混合均匀得到混合料，其中，Cu粉末粒度为45-50um；B粉末粒度为10-15um；B粉末与Cu粉末的质量比根据最终所包覆碳化硼的厚度确定，Cu和B的混合粉末与鳞片石墨体积比控制在(40-60)％：(40-60)％；碳化硼的厚度范围为0.1-2um时，B在混合粉末中的质量占比为1％-7％；
(2)将混合料装模预压成坯体，并真空干燥；
(3)然后将干燥后的坯体真空热压烧结得到鳞片石墨/碳化硼/铜复合材料；
(4)通过硝酸(HNO3)溶液浸泡直至将铜全部溶解，待清洗并干燥后得到表面包覆碳化硼的鳞片石墨。
2.按照权利要求1所述的一种鳞片石墨原位反应包覆碳化硼的方法，其特征在于：步骤(1)所述Cu粉末与B粉末的混合是在氩气保护下下进行，无水乙醇占粉末体积的10％，混合方式是球磨混合球料比为10：1，球磨速度为300r/min，球磨时间为120min。
3.按照权利要求1所述的一种鳞片石墨原位反应包覆碳化硼的方法，其特征在于：步骤(2)所述预压是将混合料倒入石墨模具，在25-30MPa下预先压实，在真空干燥炉中对压制坯体中残留无水乙醇进行干燥，干燥温度为100℃，干燥时间为12h。
4.按照权利要求1所述的一种鳞片石墨原位反应包覆碳化硼的方法，其特征在于：步骤(3)所述热压烧结是将干燥完成后的坯体放置于石墨模具中进行真空热压烧结，具体加压烧结制度：压制压力为55MPa；加热温度从室温升高至1020℃，升温速率为10-15℃/min，在真空气氛中保温30min，然后样品炉内冷却至室温。
5.按照权利要求1所述的一种鳞片石墨原位反应包覆碳化硼的方法，其特征在于：步骤(4)所述溶解是将热压烧结得到的样品浸泡于硝酸(HNO3)溶液中，直至将样品中的Cu全部溶解，用无水乙醇清洗掉硝酸溶液后，干燥可得表面包覆碳化硼的鳞片石墨。
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