[發明專利]一種碳化硼基復合陶瓷材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010756987.5
• 申請日: 2020-07-31
• 公開（公告）號: CN111848170A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 鐘志宏;魏仁偉;陳成民;吳玉程
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C04B35/563
• 分類號: C04B35/563;C04B35/622;C04B35/63;C04B35/64
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 盧敏

本發明公開了一種碳化硼基復合陶瓷材料及其制備方法，該復合陶瓷材料由B₄C粉末、Ti₃SiC₂粉末及金屬氫化物粉末經壓力燒結制備而成。本發明在較低的燒結溫度和較短的燒結保溫時間下，獲得了高致密度、高硬度、高彎曲強度和斷裂韌性、可電火花線切割加工的碳化硼基復合陶瓷材料，改善了碳化硼陶瓷的力學性能和加工性能，具有較高的實用價值。

技術領域

本發明涉及一種碳化硼(B₄C)基復合陶瓷材料及其制備工藝，屬于陶瓷基復合材料反應燒結制備領域。

背景技術

碳化硼(B₄C)陶瓷因具有一系列優異的化學和物理性能，如良好的化學穩定性、高硬度、低密度、高熔點和良好的耐磨性，在防彈裝甲、耐火材料、磨料涂層、電子等領域有廣闊的應用前景，同時由于硼元素具有良好的中子吸收能力，B₄C陶瓷可用于核反應堆中作為中子吸收劑和屏蔽材料使用。然而，由于B₄C陶瓷的燒結性極差，一般需要燒結溫度到達2200℃且保溫時間不低于30min，這導致了B₄C陶瓷晶粒組織易變得粗大，降低了陶瓷材料的綜合力學性能。此外，B₄C陶瓷的機械加工性能差、脆性大、斷裂韌性差等問題，也限制了B₄C陶瓷的應用。因此，研究和發展B₄C基復合陶瓷材料，探索B₄C基復合陶瓷材料的燒結制備工藝具有重要的意義。

B₄C陶瓷的燒結性能差歸因于其B-C之間的高共價鍵和原子之間低擴散遷移率，機械加工性能差歸因于其高硬度和低電導率，脆性大歸因于其對裂紋擴展的高度敏感，所以研究降低B₄C陶瓷的燒結溫度，提高其斷裂韌性及改善其機械加工性能對其應用而言至關重要。 Ti₃SiC₂是一種具有三元層狀的MAX相陶瓷，它綜合了金屬和陶瓷的諸多優良性能，具有很好的導熱性和導電性，相對較低的維氏硬度和較高的彈性模量，且有延展性，同時具有高的屈服強度、高熔點、高熱穩定性和良好的抗氧化性能等性能。B₄C與Ti₃SiC₂及金屬氫化物在一定條件下能夠反應生成SiC、TiB₂和金屬碳化物。碳化硅(SiC)具有化學性能穩定、硬度高、熔點高、耐磨性能好等特點，能夠大幅提高復合陶瓷的抗氧化能力和斷裂韌性；二硼化鈦(TiB₂)具有硬度高、熔點高、熱穩定性與抗氧化性能好、耐酸堿腐蝕等特點，且具有良好的導電性，能夠提高復合陶瓷的斷裂韌性和改善陶瓷的機械加工性能；TiC、ZrC、VC和HfC等金屬碳化物具有高熔點、高硬度、良好的導熱和導電性能，能夠大幅度提高復合陶瓷的機械加工性能。SiC、TiB₂和金屬碳化物在促進B₄C陶瓷燒結致密化的同時，也通過彌散強化等多種機制作用抑制了B₄C陶瓷晶粒的長大，對提高復合陶瓷的綜合力學性能具有非常顯著的作用。因此，使用Ti₃SiC₂和金屬氫化物粉末燒結助劑，利用原位反應生成SiC、TiB₂和金屬碳化物強韌化相，不僅能夠在較低的溫度下制備出高致密度的陶瓷材料，且在基體中均勻分布的強韌化相能夠有效地抑制B₄C晶粒長大，得到綜合力學性能優異的復合陶瓷材料。此外，生成的TiB₂和金屬碳化物強韌化相因具有較高的電導率，使得陶瓷能夠用電火花線切割進行加工。研究在較低的燒結溫度下，控制添加燒結助劑的含量，制備出具有高致密度、高電導率、綜合力學性能優異的B₄C基復合陶瓷材料，具有重要的現實意義。

發明內容

為了避免現有技術中存在的不足之處，本發明旨在提供一種高致密度、高電導率、綜合力學性能優異的B₄C基復合陶瓷材料及其制備方法。

本發明為實現發明目的，采用如下技術方案：