[發(fā)明專利]一種殼-核結(jié)構(gòu)的碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310036763.7
• 申請(qǐng)日: 2013-01-31
• 公開（公告）號(hào): CN103058698A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張福軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 常熟華融太陽能新型材料科技有限公司
• 主分類號(hào): C04B35/80
• 分類號(hào): C04B35/80;C04B35/563;C04B35/622
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于碳化硼復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種具有殼-核結(jié)構(gòu)的碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷及其制備方法。

背景技術(shù)

碳化硼具有一系列優(yōu)良的性能,如密度低,理論密度僅為2.52g/cm³，硬度高，莫氏硬度為9.3,顯微硬度高,是僅次于金剛石和立方BN的最硬材料,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,碳化硼在常溫下不與酸、堿和大多數(shù)無機(jī)化合物反應(yīng),僅在氫氟酸-硫酸、氫氟酸-硝酸混合物中有緩慢的腐蝕,是化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定的化合物之一。?同時(shí)碳化硼還有很強(qiáng)的吸收中子的能力?；谶@些優(yōu)良的特性,碳化硼在耐磨、耐腐蝕器件、防彈裝甲、核能等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

但碳化硼脆性大，常常以脆性斷裂為主，這大大限制了碳化硼陶瓷的應(yīng)用。目前提高陶瓷韌性的辦法有多種，可以采用顆粒增強(qiáng)、或具有特定晶粒取向結(jié)構(gòu)的排布、或采用晶須、納米管以及纖維增韌的方式。

專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910180582.5的中國(guó)專利報(bào)道了一種碳纖維/碳化硼復(fù)合陶瓷及其制備方法，其中碳化硼的質(zhì)量占45-60%，碳纖維占40-55%，該發(fā)明利用碳纖維的增韌性能，在單一碳化硼材料的基礎(chǔ)上提高了硬度和斷裂韌性10-50%。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種殼-核結(jié)構(gòu)的碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷，該復(fù)合陶瓷有較好的韌性和硬度，它以碳纖維增強(qiáng)材料為內(nèi)核，外層包裹致密的碳化硼陶瓷。

所述碳纖維增強(qiáng)材料為表面包覆瀝青的碳纖維；

所述碳纖維增強(qiáng)材料為一維、二維平面或者三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；

????一種制備殼-核結(jié)構(gòu)的碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷的方法，所采用的技術(shù)方案是：

步驟一：將碳纖維束編織成一維、二維平面或者三維網(wǎng)狀；

步驟二：制備碳化硼粉粒；

步驟三：將步驟一得到的碳纖維放入成型模具內(nèi)，向其中加入碳化硼粉體，并使碳纖維充分被碳化硼粉體包覆，壓力成型，后在惰性氣氛下，燒結(jié)成型；或?qū)⒉襟E一得到的碳纖維增強(qiáng)體固定，加入碳化硼主體料，通過壓力成型方式，獲得碳纖維增強(qiáng)體作為內(nèi)核部分；再通過第二次成型獲得以碳纖維增強(qiáng)體為內(nèi)核，碳化硼粉末包裹在外層的素坯，最后通過壓力或無壓燒結(jié)獲得碳化硼復(fù)合材料；

所述步驟一所得的碳纖維增強(qiáng)體可浸入瀝青，使碳纖維表面包覆瀝青。

本發(fā)明所解決的基礎(chǔ)技術(shù)問題的能夠克服單一碳化硼材料的韌性不好的缺點(diǎn)，更進(jìn)一步地提出了一種新結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，具備該種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料達(dá)到的有益效果是結(jié)合了碳化硼材料韌性的優(yōu)點(diǎn)和碳纖維材料硬度方面的特點(diǎn)，制備得到的具有殼-核結(jié)構(gòu)的碳化硼碳纖維復(fù)合陶瓷，不僅韌性好，且有較高的硬度，復(fù)合陶瓷的密度達(dá)到理論密度的90%以上，外層碳化硼的硬度可達(dá)到2764-3528?HV0.3，相比于現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)步提高了復(fù)合材料的性能。

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附圖說明

圖1?碳化硼復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中?1?：碳化硼殼層；?2：碳纖維增強(qiáng)材料內(nèi)核

圖2?一維碳纖維的排布正視圖示意圖；

圖3一維碳纖維的排布的側(cè)視圖示意圖。

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具體實(shí)施方式

下面將通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不僅僅局限于以下實(shí)施例。

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實(shí)施例1：

先稱取主料，碳化硼粉97wt%?(D50=0.8μm)和碳粉3wt%，再稱取并加入PVA2.5wt%（以主料計(jì)），四甲基氫氧化銨1.0wt%（以主料計(jì)），與去離子水一起放入球磨罐內(nèi)，加入B₄C介質(zhì)球，介質(zhì)球與物料重量比為3:1，球磨36小時(shí)，后經(jīng)蠕動(dòng)泵送入到噴霧干燥造粒機(jī)內(nèi)造粒，采用80目過篩后使用。

將碳纖維束（Ф1mm）固定，第一層單向碳纖維以間隔2mm的距離以0o方向單向排列，在離第一層碳纖維2mm處將第二層碳纖維以90o方向單向排列，依次重復(fù)，形成0o、90o方向排列的碳纖維增強(qiáng)體。將固定好的碳纖維增強(qiáng)體放入成型模具內(nèi)。向其中沖入碳化硼造粒粉，并輕輕敲打模具或震動(dòng)，使碳纖維充分被碳化硼粉體包圍。然后等靜壓成型，形成的素坯60×60×60mm中碳纖維增強(qiáng)體核尺寸為約40×40×40mm，外層包裹約10mm的碳化硼粉體。

將素坯在惰性氣氛下，緩慢升溫至1000oC，升溫速率為2oC/min，保溫1小時(shí)，然后隨爐冷卻。再將樣品裝入熱壓石墨模具內(nèi)，在50MPa，2000oC條件下，熱壓燒結(jié)45min。