[發明專利]一種碳化硼基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202011390268.2
• 申請日: 2020-12-02
• 公開（公告）號: CN114573351B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 黃毅華;劉營營;黃政仁;馬寧寧;葛盛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/563
• 分類號: C04B35/563;C04B35/622;C04B35/64;C04B35/80
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種碳化硼基復合材料及其制備方法，所述碳化硼基復合材料是以鉬和鎢中的至少一種作為增韌相、碳化硼、硼化鈦和碳化硅作為原料，經熱壓燒結或放電等離子燒結后得到；以碳化硼、硼化鈦和碳化硅的總體積含量計為100?vol%，所述碳化硼的體積含量為50～80vol%，所述硼化鈦的體積含量為10～25?vol%，所述碳化硅的體積含量為10～25vol%；所述增韌相的體積含量為碳化硼、硼化鈦和碳化硅的總體積的1～20%。

技術領域

本發明涉及一種碳化硼基復合材料及其制備方法，尤其涉及一種含金屬增韌相的碳化硼-硼化鈦-碳化硅復合材料及其制備方法，屬于陶瓷基復合材料技術領域。

背景技術

碳化硼陶瓷具有一系列優良的性能，比如密度低(2.52g/cm³，僅為鋼鐵的1/3)和硬度高(僅次于金剛石和立方氮化硼)，同時它的彈性模量高，約為450GPa，熔點高達2450℃，化學穩定性良好，耐酸堿腐蝕，同時還具有良好的中子吸收能力，這是其他陶瓷材料不具備的。由于上述這些優良性能，碳化硼陶瓷可以應用于耐磨領域，如磨具和刀具；防彈裝甲領域，如機身防彈以及人體防護；中子吸收領域，如核反應堆屏蔽材料；其他領域，如可用于火箭液體發動機的流量變送器，氣體軸承材料，溫差電偶等。但是由于B-C之間強共價鍵以及表面氧化物的存在使得碳化硼陶瓷的致密化溫度高，進而導致晶粒的長大以及力學性能的變差，而且碳化硼的斷裂韌性值低，僅為2-3MPa·m^1/2，大大限制了碳化硼陶瓷的廣泛應用。

防彈裝甲材料對其彈道性能提出抗侵徹能力、抗沖擊能力以及抗崩落能力，這就相應對材料提出高硬度和高彈性模量、高韌性以及高強度的要求。而碳化硼陶瓷以其極低的密度和極高的硬度，成為極具前景的防彈裝甲材料，因此對于碳化硼陶瓷的增韌具有重要意義。目前對于碳化硼陶瓷的研究也主要是集中在低溫下制備致密碳化硼陶瓷并實現增韌。目前陶瓷材料的增韌主要有陶瓷于金屬的復合增韌，相變增韌，微裂紋增韌，表面增韌，加入增強纖維或晶須增韌，以及控制陶瓷的組織形成過程實現增韌。

硼化鈦材料的硬度高，密度較低，且熱膨脹系數與碳化硼不匹配，可產生殘余熱應力，從而弱化二者的晶界，進而起到裂紋偏轉或橋聯，最終達到增韌碳化硼的效果。中國專利1(公開號CN108484171A)通過無壓燒結制備了碳化硼-硼化鈦復相陶瓷，提高了碳化硼的斷裂韌性。中國專利2(公開號CN111116202A)以無定形的硼粉、鈦粉以及石墨粉通過放電等離子反應燒結制備了碳化硼-硼化鈦復相陶瓷。

碳化硅作為一種結構陶瓷材料，其硬度高，密度低，熔點高，化學穩定好，碳化硅的引入能提高碳化硼陶瓷的斷裂韌性。中國專利3(公開號CN108640687A)通過無壓燒結制備性能優良的碳化硼-碳化硅復相陶瓷。但上述專利中碳化硼基復合材料的韌性提升有限。

發明內容

基于碳化硼陶瓷的斷裂韌性值低，極大地限制其廣泛應用，本發明提供了一種制備高韌性碳化硼基復合材料及其制備方法。該方法采用熱壓燒結或者放電等離子燒結，通過硼化鈦、碳化硅、金屬鉬的添加來達到增韌碳化硼陶瓷的目的，從而達到防彈裝甲應用的要求。

一方面，本發明提供了一種碳化硼基復合材料，所述碳化硼基復合材料是以鉬和鎢中的至少一種作為增韌相、碳化硼、硼化鈦和碳化硅作為原料，經熱壓燒結或放電等離子燒結后得到；以碳化硼、硼化鈦和碳化硅的總體積含量計為100vol％，所述碳化硼的體積含量為50～80vol％，所述硼化鈦的體積含量為10～25vol％，所述碳化硅的體積含量為10～25vol％；所述增韌相的體積含量為碳化硼、硼化鈦和碳化硅的總體積的1～20％。

在本發明中，金屬鉬或/和鎢的加入能通過自身的塑性變形，使裂紋尖端區高度集中的應力得以充分松弛，吸收能量，從而提高碳化硼基復合材料抵抗裂紋擴展的能力，進而改善碳化硼基復合材料的斷裂韌性。