[發明專利]碳化硼陶瓷纖維

有效

• 申請號: 200980123211.1
• 申請日: 2009-06-18
• 公開（公告）號: CN102066247B
• 公開（公告）日: 2011-05-18
• 發明（設計）人: 法爾哈德·莫哈邁迪;理查德·B·卡斯
• 申請（專利權）人: 高級金屬陶瓷有限公司
• 主分類號: C01B31/30
• 分類號: C01B31/30;C01B31/00
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 張穎;樊衛民

相關申請的交叉參考

本申請主張2008年6月18日提交的美國臨時專利申請61/073,468 的權益，所述申請的內容通過參考以其完整的形式并入本文中。

技術領域

本文中所述的主旨總體涉及陶瓷纖維，更具體地涉及金屬碳化物 陶瓷纖維，包括碳化硼陶瓷纖維，以及制造這些纖維的改良方法。

發明背景

碳化硼(B₄C)是已知的最硬的材料之一，排在金剛石和立方氮化硼 之后而列第三。其是大量生產的材料(即以噸計的量生產的材料)中最硬 的材料。

碳化硼可以用于廣泛多樣的用途中，包括沖擊用途和磨料用途。 例如，碳化硼是國防部選擇用于沖擊用途如防彈衣的材料。另外，可 以將碳化硼材料用于戰區中的軍事和商業車輛中以免遭到簡易爆炸裝 置無處不在的威脅。碳化硼材料可以幫助未來軍事戰斗車輛和飛行器 提高生存性和活動性。然而，碳化硼材料唯一的致命弱點在于，制備 碳化硼的常規手段具有幾個缺點。

碳化硼粉末的商業制造可通過幾種方法完成。通過碳熱還原反應 或通過氣相反應，在高溫下的電弧爐中將碳與氧化硼(B₂O₃)進行反應， 可以制造碳化硼粉末。所述方法強烈吸熱。起始材料可以是氧化硼與 石油焦的緊密混合物。除了碳化硼粉末之外，還產生大量一氧化碳。 關于商業用途，碳化硼(B₄C)粉末通常需要進行研磨和提純以除去金屬 雜質。

碳化硼粉末的另一種制造方法是利用存在的鎂對硼進行還原。這 種方法高度吸熱且典型地在1000～1200℃下發生。

常規的碳化硼部件可通過熱壓、燒結和燒結體-熱等靜壓(HIPing) 來制造。工業上，通過在惰性氣氛如氬氣中對碳化硼粉末進行熱壓(例 如2100～2200℃，30～40Mpa)來實施致密化。這種商業方法(即熱壓) 將碳化硼粉末在大的沖模之間擠壓在一起，同時加熱至高溫，并制得 具有高達理論密度98.1%的相對密度的材料。可以使用的其他材料包 括：Al、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mg、BN、MgO、Al₂O₃等。熱壓 典型地用于制造簡單形狀。當利用助燒結添加劑對純的細粉末進行致 密化時，可獲得改進的性能。

典型的燒成方法包含兩步加熱周期：粘合劑燒盡(或燒掉)和燒結。 第一加熱周期，粘合劑燒盡，典型地在相對低溫(500～600℃)下發生且 用于除去粘合劑。這典型地包括將充當粘合劑的纖維素燒盡或除去。 例如，將氫和氧除去并產生一氧化碳。這樣，不會剩余或很少剩余游 離碳。第二加熱步驟包括在非常、非常高的加熱周期(約2200℃)下進行 燒結。燒結基本上將全部顆粒熔合在一起而制備單一的固體部件。

還存在修改的碳化硼形成方法。例如，無壓燒結法。該無壓燒結 法(例如2000～2200℃)可提高密度，因此可提高碳化硼的沖擊性能。利 用帶有添加劑(例如原位碳（in-situ?carbon）、氧化鋁)的超細粉末，可 無壓燒結至高密度。無壓燒結法獲得92～97%的理論密度(D_th)。

關于更多需求的用途，在受控氣氛(例如Ar、He氣)中于高溫和高 壓(例如1700℃，200Mpa)下通過流體靜力擠壓作用，可以使用后燒結 熱等靜壓(HIPing)將相對密度提高至99%(D_th)。

用于形成常規碳化硼材料的碳化硼粉末具有在燒結期間性能差的 名聲，所述燒結期間是一種高溫過程，其中粒子合并而不熔化，從而 以固體狀態消除它們之間的孔。燒結差可制得更易斷裂的更加多孔的 材料。由于在燒結中難以獲得高密度，所以制造金屬碳化物陶瓷如碳 化硼(B₄C)陶瓷非常困難。

這些制造困難大大增加了由這些材料制造纖維的難度。在嘗試制 造碳化硼纖維中可能會遇到的示例性困難包括：紡絲和材料與所使用 的纖維制造方法的相容性；纖維的碳化和化學反應的控制；以化學計 量的方式生產碳化硼和組成的控制；為了生產高密度碳化硼纖維而進 行的燒結研究；以及擴大規模生產等。

另外存在可選擇的實驗室路線，包括CVD、晶體生長等。這些路 線典型地成本高、產量低且緩慢。