[發(fā)明專利]一種新型三元鋨錸二硼化物(Os1?xRexB2)硬質(zhì)材料及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611114532.3
• 申請日: 2016-12-07
• 公開（公告）號: CN107043260A
• 公開（公告）日: 2017-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 龍瑩;鄒燦輝;鄭鑫;林華泰;安立楠;張鳳林
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C04B35/58
• 分類號: C04B35/58;C01B35/04
• 代理公司: 廣東廣信君達(dá)律師事務(wù)所44329
• 代理人: 楊曉松

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種二硼化物(Os1-xRexB2)硬質(zhì)材料及其制備方法。

背景技術(shù)

超硬材料因其具有高硬度、耐磨損、熱穩(wěn)定性好等特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，而迅速的成為現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域內(nèi)重要的基礎(chǔ)功能材料之一。目前用于工業(yè)生產(chǎn)的超硬材料主要是金剛石和立方碳化硼。然而金剛石的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定較差，在空氣中加熱到800℃易被氧化，另外在加工含鐵金屬工件時(shí)，碳會滲入到工件中導(dǎo)致工件磨損和加工硬化。立方碳化硼的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于金剛石，但由于這類材料需要在高溫高壓下制備，成本很高。因此，金剛石和立方碳化硼的工業(yè)應(yīng)用受到限制。

近年來，通過科學(xué)工作者的不斷努力下，許多具有優(yōu)異物理、化學(xué)特性的新型超硬材料被設(shè)計(jì)和合成出來。其中一類是由強(qiáng)共價(jià)鍵的輕元素B、C、N和O組成的化合物，如B4C、B6O、B13O2和C-BC2N等。另一類是由具有高價(jià)電子密度的過渡金屬與輕元素(B、C和N)所形成的化合物。其中比較典型的是5d過渡金屬硼化物，如OsB2、ReB2、RuB2等。他們具有高硬度、耐磨損和良好的化學(xué)性質(zhì),能夠在常溫下通過機(jī)械化學(xué)法合成，降低了成本。其中，OsB2的理論硬度37Gpa，其體積模量為364.87Gpa。ReB2的理論硬度達(dá)到了46Gpa，體積模量在334Gpa-371Gpa之間。有望成為一種新型的刀具和研磨材料。另外，在OsB2中加入第三元素錸(Re)，通過形成鋨(Os)錸(Re)硼(B)固溶物，有望提高其力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，從而擴(kuò)大其在工業(yè)上的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有超硬材料(如金剛石和立方碳化硼)存在的問題，本發(fā)明提供一種采用機(jī)械合金化的方法，合成一種新型的三元復(fù)合系硬質(zhì)材料。本發(fā)明制備鋨錸二硼化物(Os1-xRexB2)硬質(zhì)材料具有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)良的物理化學(xué)性能且制備過程簡單易行。

為達(dá)到上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

(1)采用機(jī)械化學(xué)法，在惰性氣體下，通過控制原料成分和化學(xué)配比，以及機(jī)械化學(xué)合成工藝參數(shù)，在室溫下合成鋨(Os)錸(Re)二硼(B)化物粉末；

(2)將合成后的粉末加入一定量硼粉，控制混合粉末中過渡金屬與硼粉的摩爾比，且混合均勻；

(3)在惰性氣體下，采用燒結(jié)工藝對機(jī)械化學(xué)法合成的粉末進(jìn)行致密化，調(diào)節(jié)和優(yōu)化燒結(jié)工藝參數(shù)，制備鋨(Os)錸(Re)二硼(B)化物塊體材料。

所述的機(jī)械合金化，采用的設(shè)備為高能球磨機(jī)，可以是振動球磨機(jī)，行星式球磨機(jī)，也可以是場輔助球磨機(jī)，如等離子體輔助高能球磨機(jī)等；

所述的惰性氣體，可以是氬氣或是其它惰性氣體；

所述過渡金屬與硼粉的摩爾比可以是1:2.5、1:3、1:4和1:5等；

所述的燒結(jié)方法可以是傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)、氣氛燒結(jié)，也可以采用放電等離子燒結(jié)和微波燒結(jié)等場輔助燒結(jié)工藝；

所述的致密化可以通過控制其升溫、升壓速率、保溫時(shí)間和保壓時(shí)間。

本發(fā)明擬解決的第一個(gè)難點(diǎn)是，采用機(jī)械化學(xué)法合成純度較高、硼含量少或者不含硼的具有六方結(jié)構(gòu)的鋨(Os)錸(Re)二硼(B)化物粉末；

本發(fā)明擬解決的第二個(gè)難點(diǎn)是，制備的六方結(jié)構(gòu)的鋨(Os)錸(Re)二硼(B)化物，在燒結(jié)溫度下不發(fā)生向正交結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的相變；

本發(fā)明擬解決的第三個(gè)難點(diǎn)是，采用合理的燒結(jié)工藝制備致密的、無燒結(jié)助劑的鋨錸二硼化物塊體材料；

本發(fā)明擬解決的第四個(gè)難點(diǎn)是，通過添加一定量的錸粉，抑制了OsB2粉體在燒結(jié)過程中的相變，并通過形成固溶體提高其硬度和強(qiáng)度。

本發(fā)明擬解決的第五個(gè)難點(diǎn)是，控制硼粉的添加量，減少或避免燒結(jié)過程中低硼化物(如(Os1-xRex)2B3)的生成。

所述的采用機(jī)械化學(xué)法合成的鋨(Os)錸(Re)二硼(B)化物的主要成分為具有六方結(jié)構(gòu)的ReB2型Os1-xRexB2，球磨介質(zhì)WC的含量約為5at.％，可能含有一定量的殘余硼。致密化燒結(jié)后的主要成分為Os1-xRexB2，可能含有一定量的(Os1-xRux)2B3。

所述的機(jī)械化學(xué)法合成，采用的設(shè)備為高能球磨機(jī)，可以是振動球磨機(jī)，行星式球磨機(jī)，也可以是場輔助球磨機(jī)，如等離子體輔助高能球磨機(jī)等。

根據(jù)所述的高能球磨設(shè)備合成鋨(Os)錸(Re)二硼(B)化物，其原理是原料粉末在室溫下通過機(jī)械能或者場輔助機(jī)械能直接反應(yīng)生成鋨錸二硼化物。

所述的燒結(jié)方法可以是傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)、氣氛燒結(jié)，也可以采用放電等離子燒結(jié)和微波燒結(jié)等場輔助燒結(jié)工藝。