[發明專利]一種高強度、高硬度且低模量硼化鈦納米復相陶瓷的制備方法

有效

• 申請號: 202010692435.2
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111875385B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 鄒冀;劉晶晶;季偉;傅正義
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: C04B35/58
• 分類號: C04B35/58;C04B35/622;C04B35/64
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 齊晨潔

本發明提供一種高強度、高硬度且低模量硼化鈦納米復相陶瓷的制備方法，其特征在于：采用市售的TiC_xN_1?x、B、B₄C和Si粉體為原料，根據相應的化學反應方程式進行粉體的配比，將原料粉體混料、干燥、過篩后利用熱壓燒結或放電等離子體實現其致密化，得到所需復相陶瓷。本發明方法利用反應燒結原料的固溶體效應，通過反應與燒結同時發生這一特征，可以獲得TiB₂晶粒在納米尺度的復相陶瓷，最終獲得的復相陶瓷同時擁有高強度，硬度和低彈性模量；且原料價格便宜，方便易得，制備工藝簡單，周期短，在1650℃?2000℃即可實現復相陶瓷的燒結致密化，有利于降低材料制備過程所需的能耗，獲得陶瓷的致密度高。

技術領域

本發明屬于非氧化物結構陶瓷領域，具體涉及一種高強度、高硬度且低模量硼化鈦納米復相陶瓷的制備方法。

背景技術

通過金屬與陶瓷的連接和復合可以充分發揮金屬和陶瓷材料的各自性能優勢，從而形成性能更加優異的宏觀結構復合組件。然而，一般陶瓷材料的應變容限很小，與鋼等金屬材料相比具有更高的彈性模量，在與金屬材料連接使用時經常發生陶瓷部分由于熱應力或機械應力過大而被破壞的情況。這使得金屬-陶瓷連接部件在服役中的可靠性下降，獲得高強度，低模量的陶瓷材料是解決這一問題的關鍵。

實現高強度且低模量的陶瓷材料一般有兩種途徑。一是通過在陶瓷材料內部引入微氣孔。當在陶瓷基體中引入適量，分布均勻且形貌可控的氣孔時，可以降低陶瓷模量的同時，維持材料的強度或避免材料強度急劇下降。另一種途徑是在陶瓷基體中添加低彈性模量第二相來降低材料整體的彈性模量。六方氮化硼不僅彈性模量低且與絕大多數陶瓷基體的化學相容性好，因此它常用做降低材料彈性模量的第二相。但是，BN晶粒很難在陶瓷基體中均勻分散，它的直接添加很容易造成復相陶瓷強度的急劇下降。將陶瓷粉體在液相環境中包裹硼酸和尿素等前軀體，再將經包裹后的粉體在氮氣或氨氣下進行熱處理，可以在陶瓷粉體表面包裹一層納米尺度的BN層。以BN包裹的粉體為原料，通過熱壓燒結，Kusunose T等人獲得了一系列高強度復相含氮化硼陶瓷，包括Si3N4/BN等(J Am Ceram Soc,2002,85(11):2678～2688)。

在上述研究中，盡管通過氣孔和BN引入方式的改變以及其分散的均勻性的提升，所得到復相陶瓷彈性模量得以下降，彎曲強度也在一定程度上得到保持。但它們的引入也大幅度降低了材料的硬度，從而使得金屬-陶瓷連接部件中陶瓷一側的應用受到限制。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明擬提供一種通過反應燒結的途徑獲得高強度，低模量且高硬度的TiB2-B4C-BN和TiB2-SiC-BN納米復相陶瓷的方法。利用碳氮化物固溶體為反應燒結的原料，抑制燒結中可引發的自蔓延現象，使得在燒結過程中反應和致密化得以同時發生。由于在致密化過程中逐步反應生成的TiB2晶粒在納米尺度，從而實現了陶瓷的晶粒細化和強化。原位生成的由亞微米尺度B4C或SiC晶粒相互貫通而形成的骨架則提高了材料的硬度。利用此方法獲得的TiB2基復相陶瓷具有高純，細晶，BN相在基體中均勻分布等諸多特征。

本發明為解決現有技術中存在的問題采用的技術方案如下：

一種高強度、高硬度且低模量硼化鈦納米復相陶瓷的制備方法，其特征在于：采用市售的TiC_xN_1-x、B、B₄C和Si粉體為原料，根據下列化學反應方程式進行粉體的配比：

TiC_xN_1-x+(3x+3)B＝TiB₂+xB₄C+(1-x)BN (1)

TiC_xN_1-x+(0.75+0.75x)Si+(0.75-0.25x)B₄C＝TiB₂+(0.75+0.75x)SiC+(1-x)BN

(2)