[發明專利]石墨烯復合B4C超硬材料的制備方法

在審

• 申請號: 201510439690.5
• 申請日: 2015-07-23
• 公開（公告）號: CN105016733A
• 公開（公告）日: 2015-11-04
• 發明（設計）人: 劉利新;王媛;李緒海;彭旭升;徐亮;操秀霞;孟川民;祝文軍
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: C04B35/563
• 分類號: C04B35/563;C04B35/622
• 代理公司: 暫無信息
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技術領域

本發明涉及一種超硬材料的制備方法，具體為利用高溫高壓設備燒結制備石墨烯復合B₄C超硬材料的方法。

背景技術

隨著工業發展的需要以及材料科學的不斷突破和創新，各種高強度、高硬度、抗腐蝕和耐高溫的新型材料應運而生。作為這個家族的重要組成部分，超硬材料已在機械、電子、計算機、航天航空等領域顯示出廣闊的應用前景。作為超硬材料家族中的重要成員，B₄C由于具有高強度、高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等一系列優異性能而備受關注，其硬度僅次于金剛石和立方氮化硼。然而，陶瓷材料的斷裂韌性普遍較低，B₄C也不例外，其韌度為3.2MPa·m^1/2，比金屬材料的韌度至少低一個數量級。這使得其加工性能差，極易產生微裂紋和損傷，在很大程度上制約了其推廣應用。因此改善碳化物超硬材料的脆性、增大其強度、提高其在實際應用中的可靠性成為該材料能否被廣泛應用的關鍵。

研究表明，添加增韌劑是提高B₄C超硬材料力學特性的有效途徑。例如，B₄C-(40-60vol％)TiB₂復合材料的斷裂韌度為4.5MPa·m^1/2(S.G.Huang，K.Vanmeensel，O.I.A?Malek，O.Van.der?Biest，J.Vleugels，Microstructure?and?mechanical?properties?of?pulsed?electric?current?sintered?B₄C-TiB₂composites，Mater.Sci.Eng.，A?528，1302，2011)；B₄C-(40vol％)Al₂O₃(約1wt％SiC添加劑)(A.K.Swarnakar，S.G.Huang，O.Van?der?Biest，J.Vleugels，Ultrafine?Al₂O₃-B₄C?composites?consolidated?by?pulsed?electric?current?sintering，J.Alloys?Compd.，499，200，2010)或B₄C-(4wt％)CeO₂復合材料的斷裂韌度達到6.0MPa·m^1/2(Sh-Ch.Sun，T.Sakamoto，K.Nakai，H.Kurushita，S.Kobayashi，J-Y.Xu，H.Cao，B.Gao，X.Bian，W-Y.Wu，G-F.Tu，S.Matsuda，Microstructures?and?mechanical?properties?in?B₄C-CeO₂ceramics，J.Nucl.Mater.，417，663，2011)。

石墨烯是目前人類已知強度最高的物質，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵高100倍，楊氏模量約為1000GPa，彈性拉伸約為20％，具有良好的柔韌性。因此，與其他增韌材料相比，石墨烯巨大的比表面積和良好的力學性能使其可能成為更加優秀的陶瓷增韌劑。例如，2011年Luke?S.Walker等人采用放電等離子體燒結的方法合成了石墨烯/氮化硅高溫陶瓷，經測試該復合材料的斷裂韌度提高了約135％(由2.8MPa·m^1/2提高到6.6MPa·m^1/2)(L.S.Walker，V.R.Marotto，M.A.Rafiee，N.Koratkar，E.L.Corral，Toughening?in?graphene?ceramic?composites，ACS?Nano，5，3182，2011)。該復合陶瓷是用放電等離子體燒結技術在近乎常壓(35MPa)狀態下高溫(1650℃)燒結而成。然而對于B₄C來說，這種超硬材料的制備條件要求苛刻，常壓燒結溫度大于2000℃，在如此高溫下能否成功進行石墨烯復合并制備出斷裂韌度有明顯提高的石墨烯復合B₄C材料一直是一大難題。高壓條件(GPa)可以使燒結溫度大幅度下降，可能保證石墨烯能夠穩定存在于復合材料中而不被高溫所破壞，同時高壓利于得到高致密的塊體材料，所以高壓燒結有望成功復合石墨烯并制備出斷裂韌度明顯提高的石墨烯復合B₄C材料。

發明內容