[發明專利]基于粗顆粒粉體的無壓燒結碳化硼陶瓷制備方法

有效

• 申請號: 201410728325.1
• 申請日: 2014-12-03
• 公開（公告）號: CN104529457A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 曹劍武;李志鵬;燕東明;王靜慧;牟曉明;李康;趙斌;賈書波;楊雙燕;常永威
• 申請（專利權）人: 中國兵器工業第五二研究所煙臺分所
• 主分類號: C04B35/563
• 分類號: C04B35/563;C04B35/64
• 代理公司: 北京元本知識產權代理事務所 11308
• 代理人: 秦力軍

技術領域

本發明涉及一種以粗顆粒碳化硼粉體為原料，無壓燒結工藝制備低成本碳化硼陶瓷的方法，屬于結構陶瓷領域。

背景技術

碳化硼陶瓷因具有低密度、高硬度(僅次于金剛石和立方氮化硼)、高彈性模量、耐腐蝕、耐磨損和吸收中子以及高溫半導體特性，被用作中子吸收材料、防彈材料、耐磨噴嘴、半導體精密結構部件等，在核能、國防和機械等領域得到廣泛應用。

碳化硼陶瓷共價鍵分數大于90％以上，自擴散系數非常低，氣孔的消除、晶界和體積擴散的傳質機制需要極高的溫度，單純的碳化硼陶瓷燒結極其困難。目前，已實現產業化的高性能碳化硼陶瓷的制備方法主要有熱壓燒結和無壓燒結兩種工藝。熱壓工藝是在燒結的同時對碳化硼燒結體施加一定的壓力，促進碳化硼陶瓷的致密化，但熱壓工藝單爐產量有限，而且只能制備尺寸較小、形狀較為簡單的結構產品，因此熱壓碳化硼綜合成本十分高昂。無壓燒結工藝優點是適合規模化生產，可以制備大尺寸、復雜形狀的結構部件，由于工藝限制，目前無壓燒結碳化硼多采用2微米以下超細粉體作為原料，從而提高碳化硼陶瓷的燒結活性，獲得致密化的燒結體，但微米級碳化硼超細粉體研磨處理工藝復雜，價格較高，因此，雖然無壓燒結碳化硼陶瓷比熱壓產品價格有所降低，但相比其他碳化物結構陶瓷價格仍然昂貴。

碳化硼陶瓷較高的價格成為限制其大規模推廣應用的最大障礙。因此，在保證碳化硼陶瓷致密度和燒結性能的前提下，降低碳化硼陶瓷制造成本成為亟待解決的關鍵難題。

發明內容

本發明針對碳化硼陶瓷價格昂貴的技術現狀，以價格低廉的2微米以上粗顆粒碳化硼粉體為原料，采用無壓燒結工藝，同時添加固相和液相燒結助劑，通過固-液相助劑協同燒結機制，實現碳化硼陶瓷的晶粒生長控制、微觀結構調控和最終的致密化，從而為無壓燒結碳化硼陶瓷的低成本化制造奠定技術基礎。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種基于粗顆粒粉體的無壓燒結碳化硼陶瓷制備方法，包括以下步驟：

(1)將各種原料放入混料容器中，所述的各種原料包括以下重量百分比的各組分：碳化硼粉70～80wt％，碳粉4～8wt％，氧化釔粉0.7～2wt％，余量的粘結劑和分散劑，然后加入去離子水球磨制漿，所得的漿料的固相含量為25～45wt％；

(2)將步驟(1)所得漿料，利用噴霧干燥造粒工藝制得造粒粉體，具體為：

采用料漿泵將步驟(1)中制備的漿料送入噴霧干燥造粒機的造粒噴頭中霧化，漿料泵輸送漿料的壓力為0.02～0.4Mpa；

或者利用蠕動泵將漿料送入噴霧干燥造粒機的離心轉盤噴頭中形成微小霧滴，離心轉盤轉速為2000～20000轉/分鐘，噴霧干燥造粒機的進口溫度為120～250℃，出口溫度80～150℃；

(3)將步驟(2)所制得的造粒粉采用干壓法成型或冷等靜壓成型工藝壓制成生坯，成型壓力為100～200MPa；

(4)將步驟(3)所制得的生坯放入高溫真空燒結爐內，采用無壓燒結工藝進行燒結。具體為：

1600℃以前控制爐內真空度為10～600Pa，1600℃通入惰性保護氣體；或加熱前通入惰性保護氣體至常壓，

隨后在2000～2300℃溫度下保溫0.5～5h完成燒結得到碳化硼陶瓷。

本發明上述步驟(1)中的制漿設備為立式或臥式球磨機等常規混料設備。

本發明上述步驟(1)中的球磨制漿，通過控制球料比、球磨機轉速、球磨混料時間，制得適合于噴霧干燥造粒的漿料，具體為采用樹脂、氧化鋯或氧化鋁作為球磨時的介質球，球徑為1～10mm，球料比介質球的重量與碳化硼、碳粉、氧化釔粉三種原料重量之和的比值為(0.5～5)：1，混料時間為1～24h，漿料pH值為4～10，球磨機轉速為50～200轉/分鐘。

本發明上述的碳化硼粉的純度≥95％，粒徑為D50≥2μm。

本發明上述的碳粉為水溶性色素碳黑，粒徑為5～200nm。

本發明上述的氧化釔粉為純度≥95％，粒徑為100nm～2μm。

本發明上述步驟(1)中的原料還可以包括粘結劑15～25wt％，分散劑0.5～2wt％。加入粘結劑和分散劑后，步驟(1)中的各原料配比為：碳化硼粉70～80wt％，碳粉4～8wt％，氧化釔粉0.7～2wt％，粘結劑15～25wt％，分散劑0.5～2wt％；球磨混料前加入一定量的去離子水，使得所得漿料的固相含量為25～45wt％。