CN111848170A - 一种碳化硼基复合陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化硼基复合陶瓷材料及其制备方法，该复合陶瓷材料由B4C粉末、Ti3SiC2粉末及金属氢化物粉末经压力烧结制备而成。本发明在较低的烧结温度和较短的烧结保温时间下，获得了高致密度、高硬度、高弯曲强度和断裂韧性、可电火花线切割加工的碳化硼基复合陶瓷材料，改善了碳化硼陶瓷的力学性能和加工性能，具有较高的实用价值。

Description

一种碳化硼基复合陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳化硼(B4C)基复合陶瓷材料及其制备工艺，属于陶瓷基复合材料反应烧结制备领域。
背景技术
碳化硼(B4C)陶瓷因具有一系列优异的化学和物理性能，如良好的化学稳定性、高硬度、低密度、高熔点和良好的耐磨性，在防弹装甲、耐火材料、磨料涂层、电子等领域有广阔的应用前景，同时由于硼元素具有良好的中子吸收能力，B4C陶瓷可用于核反应堆中作为中子吸收剂和屏蔽材料使用。然而，由于B4C陶瓷的烧结性极差，一般需要烧结温度到达2200℃且保温时间不低于30min，这导致了B4C陶瓷晶粒组织易变得粗大，降低了陶瓷材料的综合力学性能。此外，B4C陶瓷的机械加工性能差、脆性大、断裂韧性差等问题，也限制了B4C陶瓷的应用。因此，研究和发展B4C基复合陶瓷材料，探索B4C基复合陶瓷材料的烧结制备工艺具有重要的意义。
B4C陶瓷的烧结性能差归因于其B-C之间的高共价键和原子之间低扩散迁移率，机械加工性能差归因于其高硬度和低电导率，脆性大归因于其对裂纹扩展的高度敏感，所以研究降低B4C陶瓷的烧结温度，提高其断裂韧性及改善其机械加工性能对其应用而言至关重要。 Ti3SiC2是一种具有三元层状的MAX相陶瓷，它综合了金属和陶瓷的诸多优良性能，具有很好的导热性和导电性，相对较低的维氏硬度和较高的弹性模量，且有延展性，同时具有高的屈服强度、高熔点、高热稳定性和良好的抗氧化性能等性能。B4C与Ti3SiC2及金属氢化物在一定条件下能够反应生成SiC、TiB2和金属碳化物。碳化硅(SiC)具有化学性能稳定、硬度高、熔点高、耐磨性能好等特点，能够大幅提高复合陶瓷的抗氧化能力和断裂韧性；二硼化钛(TiB2)具有硬度高、熔点高、热稳定性与抗氧化性能好、耐酸碱腐蚀等特点，且具有良好的导电性，能够提高复合陶瓷的断裂韧性和改善陶瓷的机械加工性能；TiC、ZrC、VC和HfC等金属碳化物具有高熔点、高硬度、良好的导热和导电性能，能够大幅度提高复合陶瓷的机械加工性能。SiC、TiB2和金属碳化物在促进B4C陶瓷烧结致密化的同时，也通过弥散强化等多种机制作用抑制了B4C陶瓷晶粒的长大，对提高复合陶瓷的综合力学性能具有非常显著的作用。因此，使用Ti3SiC2和金属氢化物粉末烧结助剂，利用原位反应生成SiC、TiB2和金属碳化物强韧化相，不仅能够在较低的温度下制备出高致密度的陶瓷材料，且在基体中均匀分布的强韧化相能够有效地抑制B4C晶粒长大，得到综合力学性能优异的复合陶瓷材料。此外，生成的TiB2和金属碳化物强韧化相因具有较高的电导率，使得陶瓷能够用电火花线切割进行加工。研究在较低的烧结温度下，控制添加烧结助剂的含量，制备出具有高致密度、高电导率、综合力学性能优异的B4C基复合陶瓷材料，具有重要的现实意义。
发明内容
为了避免现有技术中存在的不足之处，本发明旨在提供一种高致密度、高电导率、综合力学性能优异的B4C基复合陶瓷材料及其制备方法。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
本发明公开了一种碳化硼基复合陶瓷材料，其特点在于：所述复合陶瓷材料是由B4C粉末、Ti3SiC2粉末及金属氢化物粉末经压力烧结制备而成。所述的金属氢化物为TiH2、VH2、 ZrH2和HfH2中的至少一种。
进一步地，所述复合陶瓷材料的原料按质量百分数的配比为：Ti3SiC2粉末10-30wt.％，金属氢化物粉末5-30wt.％，余量为B4C粉末。
本发明所述碳化硼基复合陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、混合粉末的制备
按配比量称取B4C粉末、Ti3SiC2粉末以及金属氢化物粉末，倒入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，将球磨罐置于行星球磨机中，球磨机的转速为360rpm，球磨混合12h，再置于 50℃真空干燥箱中干燥12h，即得所需混合粉末；
步骤2、压力烧结
准备一个石墨模具或钼包套，将步骤1制取的混合粉末装入石墨模具或钼包套中，再将装配完成的石墨模具或钼包套放入压力烧结炉中进行压力烧结，即得B4C基复合陶瓷材料。
进一步地：步骤1中，所述B4C粉末的粒度为0.5-5μm，纯度不低于96％；所述Ti3SiC2粉末的粒度为0.5-10μm，纯度不低于98％：所述金属氢化物粉末的粒度为0.5-10μm，纯度不低于98％。
进一步地，步骤2中，压力烧结可以为放电等离子烧结、热压烧结或热等静压烧结等常规压力烧结方法。
当采用放电等离子烧结时，烧结粉末用模具为石墨模具，烧结条件为：烧结炉真空状态下，对样品施加压力10MPa并加热升温至700℃保温10min，随后施加压力至30MPa，继续升温至烧结温度并保温，升温速率为50-100℃/min，烧结温度为1700-1800℃，保温时间为10-20min；保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却；
当采用热压烧结时，烧结粉末用模具为石墨模具，烧结条件为：烧结炉真空状态下，以 5-20℃/min的升温速率将样品加热至1700-1850℃，保温时间为60-180min，加载压力为 15-40MPa；保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却；
当采用热等静压烧结时，将混合粉末装入铺有石墨纸的钼包套内，烧结条件为：在氩气下以30-100℃/min的升温速率将样品加热至1600-1800℃，保温时间为60-240min，加载压力为150-300MPa；保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却。
本发明利用原位反应压力烧结方法制备了B4C基复合陶瓷。采用常规的烧结技术，在低温下实现烧结致密，改善碳化硼的烧结性能，提高材料的力学性能，丰富高熵陶瓷体系。制备的复合陶瓷材料中含有TiB2和金属碳化物导电相，可采用电火花线切割进行加工，改善碳化硼陶瓷的机械加工性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明探索了B4C、Ti3SiC2和金属氢化物粉末配比以及压力烧结方法，在较低的烧结温度(1600-1850℃)及较短的烧结保温时间(最短10min)下，制备了高致密度B4C基复合陶瓷。Ti3SiC2和金属氢化物烧结助剂的加入，有效降低了B4C陶瓷的烧结温度、缩短了烧结保温时间，解决了B4C陶瓷烧结温度高及保温时间长等难烧结的问题。
2、本发明在保持B4C陶瓷高强度和高硬度的前提下，通过原位反应生成了晶粒细小且在B4C基体中均匀分布的TiB2、SiC和金属碳化物等强韧化相，促进烧结致密化的同时有效抑制了晶粒长大，解决了B4C陶瓷烧结致密度不高及断裂韧性低的问题。
3、本发明中，由于原位反应生成了较高含量的具有良好电导率的TiB2相和MC(M＝Ti， Zr，V，Hf)金属碳化物相，因而B4C-TiB2-SiC-MC多相复合陶瓷可用电火花线切割加工，解决了B4C陶瓷机械加工困难的问题。
附图说明
图1是添加不同质量百分数Ti3SiC2和TiH2粉末制备的B4C基复合陶瓷的XRD图谱。其中，曲线(a)对应实施例1所制备的B4C基复合陶瓷(B4C+11.67wt.％Ti3SiC2+7.5wt.％TiH2)；曲线(b)对应实施例2所制备的B4C基复合陶瓷(B4C+15.03wt.％Ti3SiC2+9.6wt.％TiH2)；曲线(c)对应实施例3所制备的B4C基复合陶瓷(B4C+18.1wt.％Ti3SiC2+11.56wt.％TiH2)；曲线(d)对应实施例4所制备的B4C基复合陶瓷(B4C+21.1wt.％Ti3SiC2+13.39wt.％TiH2)。从图1可以看出添加不同含量Ti3SiC2和TiH2粉末所制备出的复合陶瓷材料，在烧结温度 1750℃、压力30MPa、保温时间10min的工艺参数下，都生成了TiB2、SiC和TiC强韧化相。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的分析说明。
下述实施例中，所用B4C粉末的粒度为0.5-5μm、纯度≥97％，所用Ti3SiC2粉末的粒度为 0.5-10μm，纯度≥98％，所用TiH2粉末的粒度为0.5-10μm、纯度≥99％，所用ZrH2粉末的粒度为0.5-10μm、纯度≥99％，所用VH2粉末的粒度为0.5-10μm、纯度≥99％，所用HfH2粉末的粒度为0.5-10μm、纯度≥99％。
对比例1
本对比例通过放电等离子烧结技术制备纯B4C陶瓷的工艺如下：
准备一个内径20mm的石墨模具，两个配套的石墨压头，两个石墨垫片，石墨纸；将石墨纸裁出两个直径20mm的圆形石墨纸和一个正好覆盖石墨模具内壁的矩形石墨纸；将矩形石墨纸贴在石墨模具内壁，并按照石墨压头/石墨垫片/石墨纸/碳化硼粉末/石墨纸/石墨垫片/ 石墨压头的顺序进行装配；
将装配完成的石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空至20Pa以下，对样品加载压力10MPa并加热升温至700℃保温10min，随后施加压力至30MPa，以100℃/min 的升温速率继续升温至1750℃并保温10min，保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却。
经测试，如表1所示，本实施例所得的B4C基复合陶瓷材料的相对密度、维氏硬度、断裂韧性、弯曲强度分别为85.4％、7.9GPa、2.9MPa·m1/2、182.7MPa。
实施例1
本实施例通过原位反应放电等离子烧结技术制备B4C基复合陶瓷材料的工艺如下：
步骤1、混合粉末的制备
按照质量百分数，称取80.83wt.％B4C粉末、11.67wt.％Ti3SiC2粉末和7.5wt.％TiH2粉末，将三种粉末倒入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，将球磨罐置于行星球磨机中，球磨机的转速为360rpm，球磨12h至完全混合均匀，随后置于真空干燥箱中50℃干燥12h，即得反应烧结混合粉末；
步骤2、放电等离子烧结
准备一个内径20mm的石墨模具，两个配套的石墨压头，两个石墨垫片，石墨纸；将石墨纸裁出两个直径20mm的圆形石墨纸和一个正好覆盖石墨模具内壁的矩形石墨纸；将矩形石墨纸贴在石墨模具内壁，并按照石墨压头/石墨垫片/石墨纸/反应烧结混合粉末/石墨纸/石墨垫片/石墨压头的顺序进行装配；
将装配完成的石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空至20Pa以下，对样品加载压力10MPa并加热升温至700℃保温10min，随后施加压力至30MPa，以100℃/min 的升温速率继续升温至1750℃并保温10min，保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却。
经测试，如表1所示，本实施例所得的B4C基复合陶瓷材料的相对密度、维氏硬度、断裂韧性、弯曲强度分别为94.3％、22.3GPa、5.6MPa·m1/2、395.4MPa。
实施例2
本实施例通过原位反应放电等离子烧结技术制备B4C基复合陶瓷材料的工艺如下：
步骤1、混合粉末的制备
按照质量百分数，称取75.37wt.％B4C粉末、15.03wt.％Ti3SiC2粉末和9.6wt.％TiH2，将三种粉末倒入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，将球磨罐置于行星球磨机中，球磨机的转速为360rpm，球磨12h至完全混合均匀，随后置于真空干燥箱中50℃干燥12h，即得反应烧结混合粉末；
步骤2、放电等离子烧结
准备一个内径20mm的石墨模具，两个配套的石墨压头，两个石墨垫片，石墨纸；将石墨纸裁出两个直径20mm的圆形石墨纸和一个正好覆盖石墨模具内壁的矩形石墨纸；将矩形石墨纸贴在石墨模具内壁，并按照石墨压头/石墨垫片/石墨纸/反应烧结混合粉末/石墨纸/石墨垫片/石墨压头的顺序进行装配；
将装配完成的石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空至20Pa以下，对样品加载压力10MPa并加热升温至700℃保温10min，随后施加压力至30MPa，以100℃/min 的升温速率继续升温至1750℃并保温10min，保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却。
经测试，如表1所示，本实施例所得B4C基复合陶瓷材料的相对密度、维氏硬度、断裂韧性、弯曲强度分别为95.8％、25.7GPa、6.9MPa·m1/2、436.8MPa。
实施例3
本实施例通过原位反应放电等离子烧结技术制备B4C基复合陶瓷材料的工艺如下：
步骤1、混合粉末的制备
按照质量百分数，称取70.34wt.％B4C粉末、18.1wt.％Ti3SiC2粉末和11.56wt.％TiH2粉末，将三种粉末倒入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，将球磨罐置于行星球磨机中，球磨机的转速为360rpm，球磨12h至完全混合均匀，随后置于真空干燥箱中50℃干燥12h，即得反应烧结混合粉末；
步骤2、放电等离子烧结
准备一个内径20mm的石墨模具，两个配套的石墨压头，两个石墨垫片，石墨纸；将石墨纸裁出两个直径20mm的圆形石墨纸和一个正好覆盖石墨模具内壁的矩形石墨纸；将矩形石墨纸贴在石墨模具内壁，并按照石墨压头/石墨垫片/石墨纸/反应烧结混合粉末/石墨纸/石墨垫片/石墨压头的顺序进行装配；
将装配完成的石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空至20Pa以下，对样品加载压力10MPa并加热升温至700℃保温10min，随后施加压力至30MPa，以100℃/min 的升温速率继续升温至1750℃并保温10min，保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却。
经测试，如表1所示，本实施例所得B4C基复合陶瓷材料的相对密度、维氏硬度、断裂韧性、弯曲强度分别为96.4％、29.6GPa、8.2MPa·m1/2、492.7MPa。
实施例4
本实施例通过原位反应放电等离子烧结技术制备B4C基复合陶瓷材料的工艺如下：
步骤1、混合粉末的制备
按照质量百分数，称取65.51wt.％B4C粉末、21.1wt.％Ti3SiC2粉末和13.39wt.％TiH2粉末，将三种粉末倒入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，将球磨罐置于行星球磨机中，球磨机的转速为360rpm，球磨12h至完全混合均匀，随后置于真空干燥箱中50℃干燥12h，即得反应烧结混合粉末；
步骤2、放电等离子烧结
准备一个内径20mm的石墨模具，两个配套的石墨压头，两个石墨垫片，石墨纸；将石墨纸裁出两个直径20mm的圆形石墨纸和一个正好覆盖石墨模具内壁的矩形石墨纸；将矩形石墨纸贴在石墨模具内壁，并按照石墨压头/石墨垫片/石墨纸/反应烧结混合粉末/石墨纸/石墨垫片/石墨压头的顺序进行装配；
将装配完成的石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空至20Pa以下，对样品加载压力10MPa并加热升温至700℃保温10min，随后施加压力至30MPa，以100℃/min 的升温速率继续升温至1750℃并保温10min，保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却。
经测试，如表1所示，本实施例所得B4C基复合陶瓷材料的相对密度、维氏硬度、断裂韧性、弯曲强度分别为96.3％、27.4GPa、8.6MPa·m1/2、514.6MPa。
实施例5
本实施例通过原位反应放电等离子烧结技术制备B4C基复合陶瓷材料的工艺如下：
步骤1、混合粉末的制备
按照质量百分数，称取74.6wt.％B4C粉末、15.1wt.％Ti3SiC2粉末和10.3wt.％VH2粉末，将三种粉末倒入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，将球磨罐置于行星球磨机中，球磨机的转速为360rpm，球磨12h至完全混合均匀，随后置于真空干燥箱中50℃干燥12h，即得反应烧结混合粉末；
步骤2、放电等离子烧结
准备一个内径20mm的石墨模具，两个配套的石墨压头，两个石墨垫片，石墨纸；将石墨纸裁出两个直径20mm的圆形石墨纸和一个正好覆盖石墨模具内壁的矩形石墨纸；将矩形石墨纸贴在石墨模具内壁，并按照石墨压头/石墨垫片/石墨纸/反应烧结混合粉末/石墨纸/石墨垫片/石墨压头的顺序进行装配；
将装配完成的石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空至20Pa以下，对样品加载压力10MPa并加热升温至700℃保温10min，随后施加压力至30MPa，以100℃/min 的升温速率继续升温至1750℃并保温10min，保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却。
经测试，如表1所示，本实施例所得B4C基复合陶瓷材料的相对密度、维氏硬度、断裂韧性、弯曲强度分别为97.1％、28.4GPa、7.7MPa·m1/2、484.2MPa。
实施例6
本实施例通过原位反应放电等离子烧结技术制备B4C基复合陶瓷材料的工艺如下：
步骤1、混合粉末的制备
按照质量百分数，称取71.2wt.％B4C粉末、13.2wt.％Ti3SiC2粉末和15.6wt.％ZrH2粉末，将三种粉末倒入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，将球磨罐置于行星球磨机中，球磨机的转速为360rpm，球磨12h至完全混合均匀，随后置于真空干燥箱中50℃干燥12h，即得反应烧结混合粉末；
步骤2、放电等离子烧结
准备一个内径20mm的石墨模具，两个配套的石墨压头，两个石墨垫片，石墨纸；将石墨纸裁出两个直径20mm的圆形石墨纸和一个正好覆盖石墨模具内壁的矩形石墨纸；将矩形石墨纸贴在石墨模具内壁，并按照石墨压头/石墨垫片/石墨纸/反应烧结混合粉末/石墨纸/石墨垫片/石墨压头的顺序进行装配；
将装配完成的石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空至20Pa以下，对样品加载压力10MPa并加热升温至700℃保温10min，随后施加压力至30MPa，以100℃/min 的升温速率继续升温至1750℃并保温10min，保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却。
经测试，如表1所示，本实施例所得B4C基复合陶瓷材料的相对密度、维氏硬度、断裂韧性、弯曲强度分别为96.2％、30.8GPa、7.9MPa·m1/2、491.5MPa。
实施例7
本实施例通过原位反应放电等离子烧结技术制备B4C基复合陶瓷材料的工艺如下：
步骤1、混合粉末的制备
按照质量百分数，称取61.9wt.％B4C粉末、11.5wt.％Ti3SiC2粉末和26.6wt.％HfH2粉末，将三种粉末倒入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，将球磨罐置于行星球磨机中，球磨机的转速为360rpm，球磨12h至完全混合均匀，随后置于真空干燥箱中50℃干燥12h，即得反应烧结混合粉末；
步骤2、放电等离子烧结
准备一个内径20mm的石墨模具，两个配套的石墨压头，两个石墨垫片，石墨纸；将石墨纸裁出两个直径20mm的圆形石墨纸和一个正好覆盖石墨模具内壁的矩形石墨纸；将矩形石墨纸贴在石墨模具内壁，并按照石墨压头/石墨垫片/石墨纸/反应烧结混合粉末/石墨纸/石墨垫片/石墨压头的顺序进行装配；
将装配完成的石墨模具放入放电等离子烧结炉中，室温下对烧结炉抽真空至20Pa以下，对样品加载压力10MPa并加热升温至700℃保温10min，随后施加压力至30MPa，以100℃/min 的升温速率继续升温至1750℃并保温10min，保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却。
经测试，如表1所示，本实施例所得B4C基复合陶瓷材料的相对密度、维氏硬度、断裂韧性、弯曲强度分别为97.4％、29.4GPa、7.3MPa·m1/2、472.4MPa。
各实施例结果总结：
Figure RE-GDA0002648223170000081
本发明利用B4C粉末与Ti3SiC2粉末及金属氢化物粉末原位反应，在B4C基体中形成TiB2、 SiC和MC碳化物(M＝Ti，V，Zr，Hf)等强韧化相，获得了高致密度、综合力学性能优良、电导率良好的B4C-TiB2-SiC-MC多相复合陶瓷。Ti3SiC2和金属氢化物烧结助剂的加入，在较低的烧结温度和较短的烧结保温时间下，通过原位反应生成了晶粒细小且在B4C基体中分布均匀的TiB2、SiC和MC强韧化相，促进烧结致密化的同时有效抑制了B4C晶粒长大，提高了材料的综合力学性能。此外，B4C-TiB2-SiC-MC多相复合陶瓷具有较高的电导率，可使用电火花线切割进行加工。本发明可以制备综合力学性能优异、高电导率的B4C基复合陶瓷材料，解决了B4C基复合陶瓷制备及应用的一个技术问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种碳化硼基复合陶瓷材料，其特征在于：所述复合陶瓷材料是由B4C粉末、Ti3SiC2粉末及金属氢化物粉末经压力烧结制备而成。
2.根据权利要求1所述的碳化硼基复合陶瓷材料，其特征在于：所述的金属氢化物为TiH2、VH2、ZrH2和HfH2中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的碳化硼基复合陶瓷材料，其特征在于，所述复合陶瓷材料的原料按质量百分数的配比为：Ti3SiC2粉末10-30wt.％，金属氢化物粉末5-30wt.％，余量为B4C粉末。
4.一种权利要求1～3中任意一项所述碳化硼基复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、混合粉末的制备
按配比量称取B4C粉末、Ti3SiC2粉末以及金属氢化物粉末，倒入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，将球磨罐置于行星球磨机中，球磨机的转速为360rpm，球磨混合12h，再置于50℃真空干燥箱中干燥12h，即得所需混合粉末；
步骤2、压力烧结
将所述混合粉末装配至石墨模具或钼包套中，再将装配完成的石墨模具或钼包套放入烧结炉中进行压力烧结，即得B4C基复合陶瓷材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述B4C粉末的粒度为0.5-5μm，纯度不低于96％；所述Ti3SiC2粉末的粒度为0.5-10μm，纯度不低于98％；所述金属氢化物粉末的粒度为0.5-10μm，纯度不低于98％。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述压力烧结为放电等离子烧结、热压烧结或热等静压烧结。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
当采用放电等离子烧结时，烧结条件为：烧结炉真空状态下，对样品施加压力10MPa并加热升温至700℃保温10min，随后施加压力至30MPa，继续升温至烧结温度并保温，升温速率为50-100℃/min，烧结温度为1700-1800℃，保温时间为10-20min；保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却；
当采用热压烧结时，烧结条件为：烧结炉真空状态下，以5-20℃/min的升温速率将样品加热至1700-1850℃，保温时间为60-180min，加载压力为15-40MPa；保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却；
当采用热等静压烧结时，烧结条件为：在氩气下以30-100℃/min的升温速率将样品加热至1600-1800℃，保温时间为60-240min，加载压力为150-300MPa；保温结束后随即降压、降温，样品随炉冷却。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112266247A (zh) * 2020-11-17 2021-01-26 济南大学 一种高性能铌酸钾钠基无铅储能陶瓷的制备方法
CN112553494A (zh) * 2020-11-13 2021-03-26 南京航空航天大学 一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法
CN115991606A (zh) * 2023-02-22 2023-04-21 中南大学 一种TiB2-SiC-B4C三元超硬陶瓷材料及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE8600902D0 (sv) * 1986-02-28 1986-02-28 Asea Cerama Ab Sett att framstella kroppar av borkarbid
CN101555137A (zh) * 2009-05-20 2009-10-14 南京工业大学 (TiB2+TiC)/Ti3SiC2复相陶瓷材料及其制备方法
CN103979973A (zh) * 2014-05-15 2014-08-13 武汉理工大学 一种以TiH2为烧结助剂的B4C基陶瓷材料及其制备方法
CN110256081A (zh) * 2019-06-25 2019-09-20 合肥工业大学 一种碳化硼基复合陶瓷材料及其制备工艺
CN111410537A (zh) * 2020-03-24 2020-07-14 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种具有线性导电特性的碳化硼基复相陶瓷材料及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE8600902D0 (sv) * 1986-02-28 1986-02-28 Asea Cerama Ab Sett att framstella kroppar av borkarbid
CN101555137A (zh) * 2009-05-20 2009-10-14 南京工业大学 (TiB2+TiC)/Ti3SiC2复相陶瓷材料及其制备方法
CN103979973A (zh) * 2014-05-15 2014-08-13 武汉理工大学 一种以TiH2为烧结助剂的B4C基陶瓷材料及其制备方法
CN110256081A (zh) * 2019-06-25 2019-09-20 合肥工业大学 一种碳化硼基复合陶瓷材料及其制备工艺
CN111410537A (zh) * 2020-03-24 2020-07-14 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种具有线性导电特性的碳化硼基复相陶瓷材料及其制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SONG QI 等: "Microstructure and mechanical properties of super-hard B4C ceramic fabricated by spark plasma sintering with (Ti3SiC2+Si) as sintering aid", 《CERAMICS INTERNATIONAL》 *
WEN QUN 等: "High toughness and electrical discharge machinable B4C-TiB2-SiC composites fabricated at low sintering temperature", 《MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING A》 *
何平 等: "Ti3SiC2添加剂对B4C陶瓷组成、结构与性能的影响", 《复合材料学报》 *
魏仁伟: "B4C-TiB2-SiC-TiC复合陶瓷的制备及其连接研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技Ⅰ辑》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112553494A (zh) * 2020-11-13 2021-03-26 南京航空航天大学 一种冷冻装置及其制备高强韧层状多孔钛合金材料的方法
CN112266247A (zh) * 2020-11-17 2021-01-26 济南大学 一种高性能铌酸钾钠基无铅储能陶瓷的制备方法
CN115991606A (zh) * 2023-02-22 2023-04-21 中南大学 一种TiB2-SiC-B4C三元超硬陶瓷材料及其制备方法
CN115991606B (zh) * 2023-02-22 2023-05-26 中南大学 一种TiB2-SiC-B4C三元超硬陶瓷材料及其制备方法

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