[發(fā)明專利]一種碳化硅／硼化鎢復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410075532.1
• 申請(qǐng)日: 2014-03-03
• 公開（公告）號(hào): CN103771859A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳繼新;趙國(guó)瑞;孫連東;苗磊;李美栓;周延春
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號(hào): C04B35/58
• 分類號(hào): C04B35/58;C04B35/622
• 代理公司: 沈陽(yáng)優(yōu)普達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體為一種碳化硅／硼化鎢復(fù)合材料及其制備方法，通過原位合成板條狀鎢二硼五(W₂B₅）增強(qiáng)碳化硅（SiC）基復(fù)合材料。

背景技術(shù)

碳化硅(SiC)是一種較早為人們所研究并獲得廣泛應(yīng)用的難熔非氧化物陶瓷。SiC具有極好的高溫強(qiáng)度、優(yōu)良的耐熱、耐磨性，化學(xué)穩(wěn)定性及半導(dǎo)體特性，因而在原子能、燃汽輪機(jī)、航天航空、機(jī)械、化工和電子技術(shù)等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。然而，純SiC極難致密，文獻(xiàn)1：JS?Nadeau,Am.Ceram.Soc.Bull.52,70(1973)，報(bào)道了純SiC粉末的熱壓需在2500℃、50MPa的高溫高壓下才能獲得接近理論密度的燒結(jié)體。如此高的燒結(jié)溫度極大地提高了碳化硅的生產(chǎn)成本，限制了其應(yīng)用，通常需要添加燒結(jié)助劑來實(shí)現(xiàn)材料致密化。碳化硅的硬度極高，且導(dǎo)電性不佳，很難加工成型，因此加工成本極高，這也限制了其應(yīng)用。

鎢二硼五（硼化鎢W₂B₅）是W-B體系內(nèi)非常重要的一種中間相，其具有高的熔點(diǎn)（2365℃），高的硬度（27GPa），高的電導(dǎo)率（3.03×10⁶Ω^-1m^-1）。然而，由于單相W₂B₅的合成非常困難，對(duì)其性能的報(bào)道還是非常少見的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種力學(xué)性能好、制備工藝條件容易控制、操作簡(jiǎn)單、成本低的碳化硅/硼化鎢復(fù)合材料及其制備方法，解決單相碳化硅難致密、難以加工成型、導(dǎo)電性不佳，以及單相硼化鎢的合成困難，導(dǎo)致碳化硅和硼化鎢的優(yōu)越性無法得到充分發(fā)揮等問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種碳化硅／硼化鎢復(fù)合材料，該復(fù)合材料由鎢二硼五增強(qiáng)相和碳化硅基體組成，鎢二硼五增強(qiáng)相均勻彌散地分布于碳化硅基體中，其中碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為（10～20）:（2～8）。

所述的碳化硅與鎢二硼五的優(yōu)選摩爾比為13:4。

所述的碳化硅基體的晶粒尺寸0.5～2微米，鎢二硼五的形貌為板條狀晶粒，其長(zhǎng)徑比為3～14，且晶粒之間形成互鎖結(jié)構(gòu)。

所述的碳化硅／硼化鎢復(fù)合材料的制備方法，根據(jù)所要獲得的碳化硅與鎢二硼五摩爾比，采用碳化鎢WC粉、碳化硼B(yǎng)₄C粉和硅Si粉，或者碳化鎢WC粉、碳化硼B(yǎng)₄C粉、硅Si粉和碳化硅SiC粉、鎢二硼五W₂B₅粉之一種或兩種為原料，其中WC：B₄C：Si的摩爾比為8:5:13；原料粉經(jīng)物理機(jī)械方法混合8～24小時(shí)，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為10～20MPa，時(shí)間5～20分鐘；在通有惰性氣體保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為1～20℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1600～2000℃、燒結(jié)時(shí)間為0.5～3小時(shí)、燒結(jié)壓強(qiáng)為10～300MPa。

所述的碳化硅／硼化鎢復(fù)合材料的制備方法，當(dāng)碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為13:4時(shí)，采用碳化鎢WC粉、碳化硼B(yǎng)₄C粉和硅Si粉為原料，其中WC：B₄C：Si的摩爾比為8:5:13；原料粉經(jīng)物理機(jī)械方法混合8～24小時(shí)，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為10～20MPa，時(shí)間5～20分鐘；在通有惰性氣體保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為1～20℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1600～2000℃、燒結(jié)時(shí)間為0.5～3小時(shí)、燒結(jié)壓強(qiáng)為10～300MPa。

所述的原料粉原位熱壓發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

8WC＋5B₄C＋13Si→13SiC＋4W₂B₅。

所述的碳化鎢粉粒度范圍為0.5～10微米，碳化硼粉的粒度范圍為1～10微米；硅粉粒度范圍為200～400目。

所述的燒結(jié)方式為熱壓或熱等靜壓燒結(jié)。

所述的惰性氣體為氬氣或氦氣。

所述的物理機(jī)械方法混合為在聚氨酯球磨罐中干混或在酒精介質(zhì)中球磨。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1、本發(fā)明碳化硅／硼化鎢復(fù)合材料具有高硬度、高強(qiáng)度和高韌性等特點(diǎn)，同時(shí)復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性，可以采用線切割的方式進(jìn)行加工，降低了加工成本。該復(fù)合材料不僅可以作為原子能、燃汽輪機(jī)、航天航空、化工和機(jī)械刀具等備選結(jié)構(gòu)材料，也可以考慮作為一種導(dǎo)電陶瓷使用。