一种细晶碳化硼陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种细晶碳化硼陶瓷及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。该细晶碳化硼陶瓷平均晶粒尺寸小于1μm，且相对密度在98％以上，维氏硬度在38GPa以上，断裂韧性在4.9MPa.m1/2以上，其制备方法是以硼粉和碳粉为原料，经过机械化学处理后所得粉体制成胚体，所述胚体外部包裹自蔓延体系的反应原料，通过自蔓延高温快速加压烧结技术得到细晶碳化硼陶瓷。本发明专利技术所制备的碳化硼陶瓷拥有晶粒尺寸小、密实度高、韧性高、硬度高的优点；同时该工艺路径工艺简单、产量高、耗时短、对原料粒径大小要求不高，因此成本较低，有利于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳化硼陶瓷材料及其制备方法，尤其涉及一种细晶碳化硼陶瓷及其制备方法，属于陶瓷材料

技术介绍
碳化硼陶瓷是一种重要的工程材料，除了具有结构陶瓷的共同优点(耐磨损、抗腐蚀、耐高温等)外，其最为突出的优点就是同时具有超高的硬度和低的密度。在室温下，碳化硼的硬度仅次于金刚石和立方氮化硼而位居第三，然而，在高温下(超过1300℃)，碳化硼的硬度会超过金刚石和立方氮化硼而成为第一。此外，碳化硼的密度只有2.52g/cm3，仅为钢铁的1/3左右，低于大多数陶瓷材料。碳化硼的超高硬度和轻质性使其在现代工业、航空航天和国防建设领域中具有十分重要的应用前景。然而，由于碳化硼晶体中共价键含量高达93.9％，而且其塑性差，晶界移动阻力大，固态时表面张力很小，因此碳化硼陶瓷的断裂韧性较低，致密化烧结温度过高，采用无压烧结即使在超过2200℃的高温也很难获得致密度超过95％的碳化硼块体，这为碳化硼陶瓷的制备和应用带来极大困难。对于陶瓷材料来说，提高断裂韧性、较低烧结温度所采取的通用技术手段是细化材料晶粒、添加助烧剂以及第二相弥散强化技术。然而，对于碳化硼陶瓷来说，目前的研究大都集中在通过添加助烧剂或采用第二相弥散分布技术制备碳化硼基复合陶瓷以提高其断裂韧性、降低烧结温度。但是，复合陶瓷中，由于第二相的硬度都小于碳化硼，密度都大于碳化硼，因此第二相的引入会降低碳化硼陶瓷的硬度，同时破坏碳化硼陶瓷的轻质性，因此，制备碳化硼复合陶瓷会牺牲碳化硼单相陶瓷的一些优异性能。虽然单相碳化硼陶瓷材料具有其不可替代的优势，但是目前对采用细化碳化硼晶粒方式以提高其断裂韧性的研究较少，原因为：1、细碳化硼粉体的获取十分困难，一般工业生产的碳化硼粉体的粒径大于3μm，采用这种粉体进行烧结，无法制备出晶粒粒径小于3μm的碳化硼陶瓷；2、虽然采用先进制粉工艺可以制备出粒径较小(小于1μm)的碳化硼粉体，但是其成本过高、产量及小，只能用实验室研究；3、即使采用小粒径碳化硼粉体为原料，由于纯碳化硼材料烧结致密化困难，通常的烧结工艺(无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结等)需要极高的烧结温度，导致碳化硼晶粒长大，依然无法获得细晶碳化硼陶瓷。因此，制备纯碳化硼陶瓷的报道较少。目前，虽然有少量制备纯碳化硼陶瓷的相关报道，但是其所制备的碳化硼陶瓷烧结温度较高、晶粒较大，无法获取细晶的纯碳化硼陶瓷，从而无法提高碳化硼陶瓷的断裂韧性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种细晶碳化硼陶瓷及其制备方法，该制备工艺简单，效率高且耗能低，所制备的细晶碳化硼陶瓷平均晶粒尺寸小于1μm，且拥有高硬度和较高的断裂韧性。本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：一种细晶碳化硼陶瓷，其平均晶粒尺寸小于1μm，相对密度为98％以上，维氏硬度为38GPa以上，断裂韧性为4.9MPa.m1/2以上。上述细晶碳化硼陶瓷的制备方法，其是以硼粉和碳粉为原料，经过机械化学处理后所得非晶B-C纳米粉体制成胚体，所述胚体外部包裹自蔓延体系的反应原料，通过自蔓延高温快速加压烧结技术得到细晶碳化硼陶瓷。。优选地，所述细晶碳化硼陶瓷的制备方法，其是以硼粉和碳粉为原料，经过机械化学处理后所得非晶B-C纳米粉体制成胚体，所述胚体外部包裹自蔓延体系的反应原料，通过引发自蔓延反应供应非晶B-C纳米粉体转变生成碳化硼纳米晶所需热量，然后经过施压、热处理从而得到细晶碳化硼陶瓷。优选地，所述细晶碳化硼陶瓷的制备方法，包括如下步骤：1)按重量百分比计，称取硼粉78-79％、碳粉21-22％为原料，进行机械化学处理后，获得非晶B-C纳米粉体；2)将所得非晶B-C纳米粉体压制成内胚；3)按重量百分比计，称取碳粉18％-20％、钛粉72％-80％、碳化钛粉0-10％，混合均匀，得到自蔓延体系的原料粉体；4)将步骤2)所得内胚外部包裹上步骤3)所得自蔓延体系的原料粉体并压制成复胚，然后引燃自蔓延反应，反应结束后立即施压压制(自蔓延反应与施压相结合，即为自蔓延高温快速加压烧结技术)，直到温度低于1200℃后释放压力，冷却后即得到碳化硼块体材料；5)将步骤4)所得碳化硼块体材料进行热处理，获得细晶碳化硼陶瓷。按上述方案，步骤1)中所述机械化学处理步骤采用球磨工艺。具体地，球磨工艺为：球料质量比为20:1-40:1，球磨转速为300-500rpm，球磨时间30-50h，整个球磨过程在惰性气氛中进行。按上述方案，所述步骤1)和步骤2)之间还包括洗涤和干燥的步骤。优选地，所述的洗涤包括酸洗和水洗；所述的干燥为真空干燥。具体地，所述的酸洗为：在40℃下盐酸溶液中搅拌后抽滤；所述的水洗为在去离子水中溶解、搅拌，然后进行抽滤。按上述方案，步骤2)中所述内胚和复胚优选圆柱状，两者的体积关系为：复胚高度为
内胚高度的6-8倍，直径的6-10倍。例如，内胚为直径1-2cm、高度0.5-1cm的圆柱体，复胚为高度为6cm、直径为10cm、的圆柱体，此时一个复胚中可均匀放置内胚1-4个。按上述方案，步骤2)中所述压制优选先采用15-30MPa的轴向压力压制，再采用150-300MPa进行冷等静压处理。按上述方案，步骤3)中所述的碳粉、钛粉质量比优选1:4。按上述方案，步骤4)中，步骤2)所得胚体与步骤3)所得自蔓延体系的原料粉体之间有间隔层。优选地，所述间隔层为石墨纸和或氮化硼。按上述方案，步骤4)中所述施压压制的压力为150-200MPa的轴向压力，直到反应体系温度低于1200℃后释放压力，保压时间通常为40-60s。按上述方案，步骤5)中，所述热处理温度为1400-1600℃，时间为1-2h。按上述方案，所述步骤1)中硼粉的粒径为1-75μm，纯度大于98％，碳粉的粒径为0.1-3μm，纯度大于99％。本专利技术的基本原理如下：首先，原料碳粉和硼粉单质粉体经过机械化学过程后，能够合成非晶态、高活性的B-C纳米粉体。该纳米粉体的处于不稳定的非晶状态，具有烧结活性高、能自发转变为碳化硼晶体的趋势。然后，本专利技术采用自蔓延高温快速加压烧结技术，对非晶B-C纳米粉体胚体进行快速烧结，即以碳-钛体系为自蔓延燃烧体系，碳-钛体系具有反应温度高(最高温度可达3000℃以上)，持续时间短(在2200℃以上温度保持50s左右)的优点能，并可通过在碳-钛体系中加入碳化钛粉体以稀释反应体系，从而达到调控反应温度和反应时间的目的。此外，该自蔓延燃烧体系引燃后会产生还原性气氛，在高温还原气氛下,可保证碳化硼样品能不被氧化。自蔓延反应过程中，升温速率可达3000℃/min以上，升温过程中非晶态的B-C纳米粉体快速转变成碳化硼纳米晶体，反应瞬间完成。高温下，内置的碳化硼初坯处于红软化状态，此时，快速施加一个150-200MPa的高压，并持续1分钟左右，使碳化硼样品密实化，从而一次性完成碳化硼陶瓷的合成和致密化过程。由升温速率快，保温时间短，能够有效抑制烧结过程中扩散机制的进行，形成的碳化硼纳米晶粒来不及长大，就被高压压制成了陶瓷块体，其主要致密化机制不再是物质传输、而是红热状态样品在高压下产生晶界滑移和塑形变形，因而该工艺所制备样品的晶粒不会在烧结过程中明显长大，从而使碳化硼保持较小的晶粒尺寸。自蔓延高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种细晶碳化硼陶瓷，其特征在于它的平均晶粒尺寸小于1μm。

【技术特征摘要】
1.一种细晶碳化硼陶瓷，其特征在于它的平均晶粒尺寸小于1μm。2.一种细晶碳化硼陶瓷的制备方法，其特征在于以硼粉和碳粉为原料，经过机械化学处理后所得非晶B-C纳米粉体制成胚体，所述胚体外部包裹自蔓延体系的反应原料，通过自蔓延高温快速加压烧结技术得到细晶纯碳化硼陶瓷。3.一种细晶碳化硼陶瓷的制备方法，其特征在于以硼粉和碳粉为原料，经过机械化学处理后所得非晶B-C纳米粉体制成胚体，所述胚体外部包裹自蔓延体系的反应原料，通过引发自蔓延反应供应非晶B-C纳米粉体转变生成碳化硼纳米晶所需热量，然后经过施压、热处理从而得到细晶纯碳化硼陶瓷。4.一种细晶碳化硼陶瓷的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1)按重量百分比计，称取硼粉78-79％、碳粉21-22％为原料，进行机械化学处理后，获得非晶B-C纳米粉体；2)将所得非晶B-C纳米粉体压制成内胚；3)按重量百分比计，称取碳粉18％-20％、钛粉72％-80％、碳化钛粉0-10％，混合均匀，得到自蔓延体系的原料粉体；4)将步骤2)所得内胚外部包裹上步骤3)所得自蔓延体系的原料粉体并压制成复胚，然后引燃自蔓延反应，反应结束后立即施压压制，直到反应体系温度低于1200℃后释放压力，冷却后即得到碳化硼块体材料；5)将步骤4)所得碳化硼块体材料进行热处理，获得细晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志晓，张晓荣，田仕，何强龙，王爱阳，王为民，傅正义，
申请(专利权)人：河北工程大学，
类型：发明
国别省市：河北;13