[發明專利]一種高韌性硼化物-碳化物復相陶瓷的制備方法

有效

• 申請號: 201110355173.1
• 申請日: 2011-11-10
• 公開（公告）號: CN102503427A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 王玉金;李海霞;陳磊;胡志毅;周玉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C04B35/56
• 分類號: C04B35/56;C04B35/58;C04B35/622
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術領域

本發明涉及一種硼化物-碳化物復相陶瓷的制備方法。

背景技術

隨著高溫技術的發展，要求材料具備優良的高溫綜合性能以適應苛刻的高溫環境，如高的高溫強度、良好的抗熱震性及高溫抗燒蝕等性能。非氧化物復相陶瓷材料就是一類很有發展前途的高溫工程材料，它利用材料性能的互補，使材料達到綜合優化，其中硼化物-碳化物復相陶瓷就是其中的一種。

硼化物陶瓷材料在高溫環境及反應氣氛中能夠保持良好的物理和化學穩定性，其熔點均超過3000℃。硼化物陶瓷材料憑借其優異的物理性能(高的熔點、熱導率、彈性模量以及優異的化學穩定性)，已成為現代飛行器關鍵部位最有前途的候選材料，在航空航天領域有著廣泛的應用前景。

硼化物陶瓷材料雖然具有諸多優點，但其可燒結性差、斷裂韌性和強度較低等問題一直沒有得到很好的解決，從而限制了硼化物陶瓷材料的廣泛應用。常規方法是向硼化物基體中添加第二相組元，以起到增韌補強的效果。碳化物因具有高熔點、高硬度、高耐磨性、高耐蝕性、良好的化學穩定性和熱穩定性等的優點而常被選作加入硼化物基體中的第二相。碳化物的引入，能提高材料的致密度并抑制基體顆粒長大從而有效提高材料的抗彎強度，但是對材料韌性的提高并不明顯。因此，硼化物-碳化物陶瓷的斷裂韌性仍有待進一步提高。

另一方面，為了克服硼化物陶瓷燒結性差的缺點，制備硼化物及其復合材料多采用高溫、高壓的燒結工藝，其中燒結溫度大多在2000℃以上，燒結壓力大于100MPa。高的燒結溫度和壓力對燒結設備提出了較高的要求，同時長時間使用也會減少設備的使用壽命，提高材料的生產成本，不利于工業化推廣。另外由于燒結溫度過高會導致陶瓷材料內部晶粒異常長大，引起內應力及微裂紋，從而嚴重影響材料的力學性能。因此，過高的燒結溫度或壓力一定程度上限制了硼化物陶瓷材料的發展和運用，在較低溫度條件下制備出組織致密、性能良好的硼化物基陶瓷材料一直是廣大科研工作者孜孜以求的目標。

發明內容

本發明的目的是要解決現有硼化物-碳化物復相陶瓷制備中燒結溫度高和壓力大，導致生產成本高，制備得到的硼化物-碳化物復相陶瓷力學性能差，斷裂韌性差的問題，本發明提供了一種高韌性硼化物-碳化物復相陶瓷的制備方法。

本發明的高韌性硼化物-碳化物復相陶瓷的制備方法是通過以下步驟實現的：一、按重量百分比稱取20％～80％的硼化物和20％～80％的碳化物，然后將稱取的硼化物和碳化物加入分散介質中，混合均勻得混合粉末，所述分散介質為體積百分濃度不低于98％的乙醇或者丙酮；二、將步驟一得到的混合粉末在100℃～150℃溫度下干燥10～48h，然后將干燥后的混合粉末放入球磨機中，加入聚乙烯醇分散劑，再在氬氣保護性氣氛中球磨6～48h，將球磨后的混合粉末過200目篩，得到混合均勻的納米級復合粉末；三、將步驟二得到的納米級復合粉末在150～250MPa壓力條件下壓制成坯料，然后將坯料進行兩段式無壓燒結：在真空或惰性氣體條件下，將坯料升溫至1300℃～1700℃，保溫1～10h，然后升溫至1750℃～2100℃，保溫0.5～5h，再降至室溫，即得高韌性硼化物-碳化物復相陶瓷，完成高韌性硼化物-碳化物復相陶瓷的制備。

本發明步驟一中的硼化物為過渡金屬硼化物，其中過渡金屬選自元素周期表的IV～VI副族中的一種。例如二硼化鈦(TiB₂)、二硼化鋯(ZrB₂)、二硼化鉿(HfB₂)、二硼化釩(VB₂)、二硼化鈮(NbB₂)或者二硼化鉭(TaB₂)。

本發明步驟一中的碳化物為B₄C、SiC或者過渡金屬碳化物，其中過渡金屬選自元素周期表的IV～VI副族中的一種。例如碳化鈦(TiC)、碳化鋯(ZrC)、碳化鉿(HfC)、碳化釩(VC)、碳化鈮(NbC)或者碳化鉭(TaC)。

本發明步驟一中硼化物和碳化物的粒徑為1～5μm。硼化物和碳化物的粒徑也可采用納米級的，采用納米級粒徑的硼化物和碳化物時，可將步驟二的球磨過程省略。

本發明步驟一中分散介質為無水乙醇。

本發明步驟三中將坯料升溫至1300℃～1700℃過程中，控制升溫速率為10～30℃/min；升溫至1750℃～2100℃的過程中，控制升溫速率為10～30℃/min。以10～40℃/min的速率降至室溫。

本發明首先利用步驟二的球磨得到硼化物和碳化物混合均勻的納米級復合粉末，納米級復合粉末細小均勻，顆粒尺寸可達到納米級。