[發(fā)明專利]一種碳化硼-硼化鈦-碳化硅高硬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310070423.6
• 申請日: 2013-03-06
• 公開（公告）號: CN103145422A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王為民;張志曉;杜賢武;傅正義
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號: C04B35/563
• 分類號: C04B35/563;C04B35/622
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，尤其涉及一種碳化硼-硼化鈦-碳化硅高硬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

碳化硼是一種超硬材料，其硬度僅次于金剛石和立方氮化硼。此外，碳化硼具有高熔點、低密度、優(yōu)異的耐磨性、極好的化學(xué)穩(wěn)定性和高的中子吸收能力，其應(yīng)用遍布核工業(yè)，裝甲防護，航空等領(lǐng)域。然而，高的燒結(jié)溫度和低的斷裂韌性嚴重影響了碳化硼的進一步發(fā)展。為了解決這些問題，常規(guī)的方法是向碳化硼基體中加入第二相物質(zhì)以起到降低燒結(jié)溫度和提高韌性的目的。目前，研究較多，效果較好的方法是通過反應(yīng)燒結(jié)在碳化硼基體中引入硼化鈦。研究表明，在碳化硼中加入碳化鈦，既可以利用他們之間的化學(xué)反應(yīng)生成非化學(xué)計量的B₄C_1-x，導(dǎo)致碳化硼晶格常數(shù)的改變，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，從而加速傳質(zhì)過程，促進了燒結(jié)致密化，達到降低燒結(jié)溫度的目的，又可以利用反應(yīng)產(chǎn)物硼化鈦的熱膨脹系數(shù)與基體碳化硼不匹配而產(chǎn)生殘余應(yīng)力引發(fā)的微裂紋偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，提高碳化硼的斷裂韌性。

如我國學(xué)者唐軍等及國外學(xué)者L.S.Sigl采用在碳化硼中加入碳化鈦反應(yīng)燒結(jié)的方法制備出高韌性的碳化硼-硼化鈦復(fù)合陶瓷。其中，唐軍等在2050℃，35MPa的熱壓條件下制備出的碳化硼-硼化鈦復(fù)合陶瓷中TiB₂顆粒的粒徑一般在3μm以下；加入20vol%?TiC(對應(yīng)的TiB₂為35vol%)的復(fù)相陶瓷的斷裂韌性值高達6.3MPa·m^1/2，比單體B₄C提高75%。然而，在他們的研究中，反應(yīng)生成的碳沒有得到合理的處理，仍然存在于基體中。多余的碳會顯著降低基體的硬度，所以其材料的硬度只有21GPa。因此，上述方法雖然在一定程度上降低了燒結(jié)溫度和增加了材料的韌性，但卻犧牲了材料的硬度，沒有真正解決高硬度陶瓷增韌的問題。

又如我國學(xué)者李愛菊等人以B₄C與Si₃N₄和少量SiC，TiC為原料，Al₂O₃和Y₂O₃為燒結(jié)助劑，在燒結(jié)溫度為1800-1880℃，壓力為30MP的熱壓條件下制備出以碳化硼-硼化鈦-碳化硅為主相的陶瓷復(fù)合材料，其斷裂韌性可達5.6?MPa·m^1/2。但是，該方法使用原料較多，原料之間反應(yīng)過程復(fù)雜，中間相繁多，難以獲得高純的三元復(fù)合陶瓷。此外，由于Al₂O₃、Y₂O₃等低溫液相助燒劑的加入，使得材料的硬度和高溫機械性能降低，從而減小材料的使用范圍，降低材料的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有碳化硼基復(fù)合陶瓷材料燒結(jié)溫度過高、硬度和韌性難以同時提高的缺點而提供一種碳化硼-硼化鈦-碳化硅高硬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。該方法工藝簡單，可以在較低的溫度下制得韌性與硬度兼顧的碳化硼-硼化鈦-碳化硅高硬陶瓷復(fù)合材料。

????為了達到以上目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種碳化硼-硼化鈦-碳化硅高硬陶瓷復(fù)合材料，按重量百分比計，它由碳化硼50%-90%，硼化鈦27%-5.4%，碳化硅23%-4.6%組成。

按上述方案，所述的碳化硼-硼化鈦-碳化硅高硬陶瓷復(fù)合材料由原料碳化硼、碳化鈦和硅的三元混合粉體經(jīng)過反應(yīng)熱壓技術(shù)燒結(jié)而成，所述原料混合粉體按重量百分比計，包括碳化硼粉體60.6%-92%，碳化鈦4%-23.1%，硅粉3%-16.3%；其中，各原料的質(zhì)量百分比遵循反應(yīng)方程B₄C?+2TiC+3Si—B₄C+2TiB₂+3SiC，上下浮動范圍為2%；硅粉的含量根據(jù)碳化硼與碳化鈦的反應(yīng)產(chǎn)物碳的產(chǎn)量而調(diào)節(jié)，其目的是除去產(chǎn)物碳。

按上述方案，所述的混合粉體中碳化硼粉體粒度在0.5-5μm，純度大于94%；碳化鈦粒度在0.5-5μm，純度大于96%；硅粉粒度在0.3-100μm，純度大于98%。

上述碳化硼-硼化鈦-碳化硅高硬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

①按重量百分比稱量原料碳化硼粉體60.6%-92%，碳化鈦4%-23.1%和硅粉3%-16.3%，備用，其中原料的質(zhì)量百分比遵循反應(yīng)方程B₄C?+2TiC+3Si—B₄C+2TiB₂+3SiC，上下浮動范圍為2%；