CN1830899B - 一种碳化硼稀土复合陶瓷材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种碳化硼稀土复合陶瓷材料的制备方法属于材料技术领域，其制备方法包括配料和热压烧结两个步骤：(1)配料：按比例取碳化硼粉末同稀土氧化物粉末和稀土硼化物粉末均匀混合，(2)热压烧结：将经过均匀混合后的粉料装入石墨模具中，置于热烧结炉中，抽真空至0.1Pa以下，以5～25℃/min速度升温至1800～2050℃，保温10～90分钟，缓慢加压5～30MPa，继续保温10～90分钟即可。本发明优点：1)在单一碳化硼材料的基础上提高硬度5％～57％，提高断裂韧性5％～62％，2)有利于降低生产成本，3)使电火花切割速度加快，有利于加工成各种形状，此方法操作简单，易于在碳化硼陶瓷材料制造领域推广应用。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，特别涉及一种碳化硼稀土复合陶瓷材料的制备方法。
背景技术
碳化硼具有超常的硬度，特别是恒定的高温硬度优点是金刚石都无法比拟的。再加上它具有很好的抗酸碱腐蚀能力和较高的中子吸收能力以及低密度的特点，是摩擦制品、核工业中子防护材料、防弹材料等领域重点开发的内容。
目前制造碳化硼陶瓷材料有热压烧结和无压烧结两类方法。经无压烧结制造的碳化硼制品的致密度低，而导致其技术性能指标不能满足各类产品的要求。添加烧结助剂的液相烧结方法也属于无压烧结，该方法借助烧结助剂的特点可提高碳化硼材料的韧性，但其硬度却降低很多。热压烧结方法是制造高致密度碳化硼制品的主要方法。但是由于碳化硼性质的特殊性，热压法生产的制品仍然具有脆性大、难以加工的缺点。以上问题都是限制碳化硼陶瓷材料广泛应用的原因。
发明内容
针对高致密度高硬度的碳化硼材料脆性大，难以加工的问题，本发明提供一种碳化硼稀土复合陶瓷材料的制备方法。包括配料和热压烧结两个工艺步骤：首先将碳化硼粉末同稀土氧化物和稀土硼化物按一定比例均匀混合后装入石墨模具中，而后将石墨模具放进热压烧结炉内，抽真空至0.1Pa以下，再以5～25℃/min的速度升温至1800～2050℃，保温10～90分钟，缓慢加压至5～30MPa，继续保温10～90分钟。
本发明提供的制备碳化硼稀土复合陶瓷材料的原料为：稀土氧化物中的CeO2相对稀土氧化物总量REO的含量大于45％；REO的纯度大于98％，900℃灼烧1小时的灼减量不大于2％；稀土硼化物的纯度大于98％，其中REB6相大于90％。稀土硼化物中的稀土元素可以是La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Y中的任意两种或两种以上稀土元素硼化物的混合物，其中某单一稀土元素为主，主元素与稀土元素总量之比不小于50％；碳化硼粉末原料的纯度大于95％，平均粒径为2～15μm。
本发明与现行的碳化硼材料制造方法相比有如下三方面的优点：
(1)在单一碳化硼材料的基础上提高硬度5％～57％，提高断裂韧性5％～62％，使碳化硼陶瓷材料的应用领域更为广泛。
(2)加入稀土硼化物可降低烧结温度50～250℃。有利于降低生产成本。
(3)加入稀土硼化物的碳化硼制品导电性明显提高，使电火花切割速度加快。有利于加工成各种形状。
此方法操作简单，易于在碳化硼陶瓷材料制造领域推广应用。
具体实施方式
例1：配料，采用以稀土氧化物中的CeO2相对稀土氧化物总量REO的含量为CeO2/REO＝99％，REO的纯度为98％，灼减量为1％，加入量为1％(质量百分数)；以镧为主稀土硼化物的纯度为98％，镧与稀土元素总量之比为95％，其中REB6为97％，加入量为8％(质量百分数)；余量为碳化硼粉末，其纯度为96％，平均粒径为2.0μm。将配制的原料在陶瓷罐和球的混料机中均匀混合12小时后装入石墨模具中。
热压烧结，将装料的石墨模具放进热压烧结炉内，抽真空至0.1Pa以下，再以5℃/min的速度升温至1850℃，保温30分钟，缓慢加压至20MPa，继续保温30分钟。得到的碳化硼稀土复合陶瓷材料。+经检测，其密度为2.63g/cm3；硬度(HV)为39.19GPa；断裂韧性5.04MPa·m1/2；抗弯强度354.15MPa。此结果比单一碳化硼材料的硬度提高了30％，断裂韧性提高了37％。烧结温度降低了200℃，电火花切割速度加快两倍以上。
例2：配料，采用以稀土氧化物中的CeO2相对稀土氧化物总量REO的含量为CeO2/REO＝99％，REO的纯度为98％，灼减量为1％，按质量百分数加入量为4％，稀土硼化物中钆与稀土元素总量之比为85％，其纯度为98％，其中REB6为97％，按质量百分数加入量为6％，余量为碳化硼粉末，其纯度为96％，平均粒径为2.0μm。将配制的原料在陶瓷罐和球的混料机中均匀混合12小时后装入石墨模具中。
热压烧结，将装料的石墨模具放进热压烧结炉内，抽真空至0.1Pa以下，再以5℃/min的速度升温至1900℃。保温20分钟，缓慢加压至20MPa，继续保温30分钟。得到的碳化硼稀土复合陶瓷材料的密度为2.64g/cm3；硬度(HV)为41.47GPa；断裂韧性4.64MPa·m1/2；抗弯强度354.15MPa。此结果比单一碳化硼材料的硬度提高了38％，断裂韧性提高了26％。烧结温度降低了150℃，电火花切割速度加快一倍以上。
例3：配料，采用以稀土氧化物中的CeO2相对稀土氧化物总量REO的含量为CeO2/REO＝99％，REO的纯度为98％，灼减量为1％，按质量百分数加入量为4％，余量为碳化硼粉末，其纯度为96％，平均粒径为2.0μm。将配制的原料在陶瓷罐和球的混料机中均匀混合12小时后装入石墨模具中。
热压烧结，将装料的石墨模具放进热压烧结炉内，抽真空至0.1Pa以下，再以25℃/min的速度升温至1970℃。保温60分钟，缓慢加压至20MPa，继续保温60分钟。得到的碳化硼稀土复合陶瓷材料的密度为2.599g/cm3；硬度(HV)为35.40GPa；断裂韧性5.95MPa·m1/2；抗弯强度346.70MPa。此结果比单一碳化硼材料的硬度提高了18％，断裂韧性提高了62％。
例4：配料，采用以稀土氧化物中的CeO2相对稀土氧化物总量REO的含量为CeO2/REO＝50％，REO的纯度为98％，按质量百分数加入量为7％；余量为碳化硼粉末，其纯度为96％，平均粒径为15μm。将配制的原料在陶瓷罐和球的混料机中均匀混合12小时后装入石墨模具中。
热压烧结，将装料的石墨模具放进热压烧结炉内，抽真空至0.1Pa以下，再以25℃/min的速度升温至2050℃。保温90分钟，缓慢加压至5MPa，继续保温90分钟。得到的碳化硼稀土复合陶瓷材料的密度为2.57g/cm3；硬度(HV)为35.31GPa；断裂韧性5.15MPa·m1/2；抗弯强度336.37MPa。此结果比单一碳化硼材料的硬度提高了18％，断裂韧性提高了40％。
例5：配料，以镧为主的稀土硼化物加入量为8％(质量百分数)，余量为碳化硼粉末，其纯度为96％，平均粒径为2.5μm，将配制的原料在陶瓷罐和球的混料机中均匀混合12小时后装入石墨模具中。
热压烧结，将装料的石墨模具放进热压烧结炉内，抽真空至0.1Pa以下，再以10℃/min的速度升温至1800℃。保温30分钟，缓慢加压至30MPa，继续保温30分钟。得到的碳化硼稀土复合陶瓷材料的密度为2.61g/cm3；硬度(HV)为31.65GPa；断裂韧性5.14MPa·m1/2；抗弯强度313.29MPa。此结果比单一碳化硼材料的硬度提高了5％，断裂韧性提高了40％。烧结温度降低了250℃，电火花切割速度加快2.5倍以上。
例6：配料，以钆为主的稀土硼化物加入量为8％(质量百分数)，余量为碳化硼粉末，其纯度为96％，平均粒径为3.0μm，将配制的原料在陶瓷罐和球的混料机中均匀混合12小时后装入石墨模具中。
热压烧结，将装料的石墨模具放进热压烧结炉内，抽真空至0.1Pa以下，再以10℃/min的速度升温至1950℃。保温10分钟，缓慢加压至25MPa，继续保温10分钟。得到的碳化硼稀土复合陶瓷材料的密度为2.63g/cm3；硬度(HV)为47.12GPa；断裂韧性3.87MPa·m1/2；抗弯强度242.01MPa。此结果比单一碳化硼材料的硬度提高了57％，断裂韧性提高了5％。烧结温度降低了100℃，电火花切割速度加快两倍以上。
Claims (2)
1.一种碳化硼稀土复合陶瓷材料的制备方法，按配料和热压烧结两个步骤进行，其特征在于：
(1)配料：按比例取碳化硼粉末同稀土氧化物粉末均匀混合，配料比例按质量百分数稀土氧化物为4％，余量为碳化硼粉末，平均粒径为2.0μm。
(2)热压烧结：将经过均匀混合后的粉料装入石墨模具中，置于热压烧结炉中，抽真空至0.1Pa以下，以25℃/min速度升温至1970℃，保温60分钟，缓慢加压20MPa，继续保温60分钟即可。
2.按照权利要求1所述碳化硼稀土复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于稀土氧化物中的CeO2相对稀土氧化物总量REO的含量CeO2/REO＝99％；稀土氧化物总量REO的纯度＝98％；900℃灼烧1小时，灼减量为1％，碳化硼粉末原料的质量纯度为96％。
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