铝-硼碳化物金属陶瓷与活性金属-硼碳化物金属陶瓷制造技术

本发明专利技术是关于多项的硬质韧性轻质活性金属－－硼碳化物，特别是铝－－硼碳化物复合材料．提供的方法包括湿润初始料并使之反应，借此可控制地选择所得复合材料的微结构．控制热处理与最终材料组成的参数是原始组成，反应的温度，时间与气氛．陶瓷相均布于金属相中，二者界面上的结合力最大．采用了初始固结步骤使复合料具最大密度．生产出的铝－－硼碳化物金属陶瓷微结构的断裂模量超过１１０千磅／∴＋［２］，断裂韧度超过１２千磅／对＋［２］．（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术总的说来涉及铝-硼碳化物和其它一些金属-硼碳化物组成的物质，更具体地说，涉及到铝-硼碳化物金属陶瓷和其它一些活性金属-硼碳化物金属陶瓷。Lowe的美国专利2746133、Bergmann的美国专利3178807、Lipp的美国专利3364152与Weaver的美国专利4104062都同铝-硼碳化物的复合材料及其制法有关。然而，这些专利并没有揭示具体的金属陶瓷组成或生产可以直接应用的固结的金属陶瓷体的方法。单块式的陶瓷材料历史上局限于用作结构材料。这是由于它们内在的破坏机理使其极易产生裂纹与空隙一类微结构缺陷。作为材料抵抗这类破坏形式的一种测度是断裂韧度。传统的陶瓷材料的断裂韧度是很低的。提高断裂韧度的一种方法是通过添加另一种陶瓷相，例如Al2O3-B4C的复合料;或添加一种金属相，例如B4C-金属的金属陶瓷。金属陶瓷定义为这样一种陶瓷-金属的复合材料，它的最终微结构中有多于50%(体积)的陶瓷相。图1说明某些传统的单片式陶瓷材料和一种传统的金属陶瓷(T∶C-Ni-Mo)，为了提高它们的破裂韧度而以加大其比重为代价所作的折衷选择。图1还表明了，通过采用选择的陶瓷-陶瓷复合料(即Al2O3-B4C)，如何能避开在提高破裂韧度同时就加大比重的趋势，以及根据本专利技术，通过采用选择的陶瓷-金属复合料，特别是B4C-Al或其它B4C-金属的金属陶瓷，而更远地摆脱上述趋势。为此，本专利技术的一个目的在于提供铝-硼碳化物和其它的活性金属硼碳化物的金属陶瓷组成。本专利技术还有一个目的在于提供，铝-硼碳化物和其他活性金属-硼碳化物金属陶瓷复合材料的形成方法。本专利技术的另一目的在于提供，具有可特定微结构的铝-硼碳化物和其它活性金属-硼碳化物的金属陶瓷复合材料，以及形成它们的方法。本专利技术的又一目的在于提供，完全致密的铝-硼碳化物和其它的活性金属-硼碳化物的金属陶瓷，以及形成它们的方法。本专利技术尚有一个目的在于提供，由完全致密的铝-硼碳化物和其它活性金属-硼碳化物的金属陶瓷复合料加工成的制品。本专利技术同时还有一个目的在于提供铝-硼碳化物和其它活性金属-硼碳化物复合材料的制备方法，以及用较低的成本来生产它们的制品。本专利技术给出了整系列特定组成的铝-硼碳化物和其它活性金属-硼碳化物的金属陶瓷，以及应用基础性热力学与动力学原理来获得这些铝-硼碳化物和其它活性金属-硼碳化物金属陶瓷的方法。本专利技术概括了一批具备完全致密微结构的多相金属陶瓷组成，以及有选择性地生产这些所希望的复合材料的方法。根据本专利技术，形成上述复合材料有三个主要步骤。第一步，必须实现通过金属来润湿硼碳化物相以保证快速固结的毛细作用的热力学准则。除此之外，润湿通常指示出硼碳化物相与金属相之间的界面反应情况。并非是所有金属都能同硼碳化物起反应(即能润湿硼碳化物)，因而本专利技术仅仅适用于作硼碳化物的合适反应剂的金属。这类金属包括Al、As、Ba、Be、Ca、Co、Cr、Fe、Hf、Ir、La、Li、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Ni、Os、Pd、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、Sc、Si、Sr、Ta、Tc、Th、Ti、U、V、W、Y与Zr以及它们的各种合金，或在处理过程中能还原为金属形式的它们的化合物。这方面最理想的金属是铝。第二步，将反应热力学准则应用于金属-硼碳化物组成，以获得具有所希望有的微结构的反应产物。通过这一步就能取得第一步中已润湿的金属-硼碳化物复合材料，并使之反应成具有特定微结构的最终产物。还能使所有的这种金属或合金相与任何在这些反应过程中形成的亚稳相完全反应，而获得一种全无任何金属相或任何代表最初原始组分的相的一种复合材料。这就是说，能够从任何陶瓷-金属原始组成出发，而最终获得一种金属陶瓷或陶瓷-陶瓷复合材料。第三步，应用如何使这些活性金属-硼碳化物复合料在上述过程中固结的动力学，以选择适当的制造方法。固结过程涉及到对那些将烧结的复合材料体加温。还涉及到在加温时加压，以保证获得完全致密的最终产物。然而，特别理想的是采用构成本专利技术一部分的胶态固结技术，这可以不用加压而使最终产品在降低了处理费用条件下具有可忽略的孔隙度或无空隙度。图1中的曲线表明了现有技术制成的陶瓷材料与本专利技术的金属陶瓷复合材料，它们二者的断裂韧度与比重的关系;图2A与2B示意了本专利技术的润湿步骤;图3示明了铝金属在硼的碳化物基片上的接触角数据;图4是铝-硼碳化物的反应序列图，示意性地表确了依据本专利技术所生产的某些复合材料;图5表明了硼的碳化物的均匀性范围。铝由于能与硼的碳化物起反应，是发展B4C-Al金属陶瓷用的一种可相容的金属相。铝是地球上一种稳定的金属相，比重很低。它又是可延展的、无毒的，价格较廉而易于获得，并能在抗侵蚀的形式下使用。铝-硼碳化物的金属陶瓷及其合金能以轻质的结构而兼具高硬度与高韧度。由于硼的碳化物是一种优越的中子吸收体，因而这类金属陶瓷也会是极出色的中子吸收体。铝-硼碳化物的复合材料及其合金将陶瓷与金属材料的有用性质综合到一个体系中。特别是此类复合材料能通过各种处理方式来控制其性质，由此获得高模量、高硬度、低密度和高的断裂韧度。铝-硼碳化物的复合材料及其合金的可能应用包括但不限于轻质结构、切割工具、废核燃料的贮存设备、抗辐射结构、涡轮机的冷、热部件、耐冲击结构、耐磨损与蚀损的材料、半导性器件，以及要求提高抗热震稳定性和有高度化学稳定性的构件。由于具有连续性的金属相，因而这种复合材料能提供满足延展性、导热和/或导电性要求的母体材料。本专利技术主要是相对于铝来进行描述的，但可以按相同的方法应用于与硼的碳化物起反应的其它一些金属上，形成相似的复合材料或金属陶瓷。这些金属包括As、Ba、Be、Ca、Co、Cr、Fe、Hf、Ir、La、Li、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Ni、Os、Pd、Pt、Pu、Re、Rh、Ru、Sc、Si、Sr、Ta、Tc、Th、Ti、U、V、W、Y与Zr。此外，上述金属的合金以及在处理过程中能还原为金属形式的上述金属的化合物，都能用于这种目的。使硼的碳化物与铝或其它活性金属形成复合材料的方法以及所形成的复合材料，现描述于下。这种方法包括三个主要步骤1)固结或配置原始材料，2)产生正确的毛细作用的热力学条件或润湿原始材料，3)使原始材料起反应生产出所需要的复合材料。尽管固结步骤是在另两步骤之前进行，但由于它们会提出固结步骤中必然会遇到的某些要求，因而先对湿润与反应这两个步骤进行叙述。毛细作用热力学活性金属-硼碳化物中的固结机理(微结构重排动力学)在极大程度上取决于反应液相的烧结。为了使这种现象发生，就必须实现液态金属相在固态硼碳化物陶瓷相上低接触角的毛细作用热力学准则。这一条件常视作为湿润，在图2A与2B中作了示意性的说明。湿润定义为可使固-液界面得以形成的任何过程。湿润的推动力来自体系中自由能的减少，这里的体系是指固相、液相与汽相共存的体系。早期热力学把湿润解释为共存的固相、液相与汽相处于化学平衡。然而在高温下，活性金属-硼碳化物的混合物则具有不处在化学平衡下的固相、液相与汽相的界面;因而活性金属一词用来指这些组成。在化学不平衡的条件下，化学反应(反应热力学)对界面能的影响必须考虑，因为这些固相、液相与汽相会通过该界面相互反应而达到化学平衡态。在那些非平衡的动力学状态本文档来自技高网...

【技术保护点】
包括具有可调微结构的一种铝－硼碳化物复合材料在内的物质组成，它至少具有以下各种相中的任意四种：（ａ）ＡｌＢ［２］，（ｂ）α－ＡｌＢ↓［１２］，（ｃ）Ａｌ－Ｂ↓［１２］Ｃ↓［２］，（ｄ）Ａｌ↓［４］Ｃ↓［３］，（ｅ）ＡｌＢ ↓［２４］Ｃ↓［４］，（ｆ）Ａｌ↓［４］Ｂ↓［１－３］Ｃ↓［４］，（ｇ）含碳、硼和铝的一种相，其Ｘ射线衍射图如表Ｉ所示，（ｈ）Ｂ↓［４］Ｃ，以及（ｇ）一种铝相，均匀地分布于此种复合料中。

【技术特征摘要】
US 1985-5-6 730,528书申请保护的范围的限制。表Ⅰ富铝相，Ⅹd观察值(埃) d计算值(埃) Ⅰ/Ⅰ0h k l遮掩 3.8822 遮掩 0 0 32.964 2.950 100 1 0 12.714 2.702 50 1 0 22.1071 2.109 45 1 0 41.9411 1.9467 20 0 0 61.8547 1.8542 30 1 0 51.7585 1.7600 70 1 1 01.2991 1.2978 25 0 0 9中间结构在六方晶系与三方角晶系之间a＝3.52埃 c＝11.68埃表Ⅱ铝-硼碳化物金属陶瓷的物质组成热处理温度物质组成＊800℃ Ⅹ，AlB2，α-AlB12，AlB12C2，Al4C3900℃ Ⅹ，AlB2，α-AlB12，AlB12C2，Al4C31000℃ Ⅹ，AlB2，α-AlB12，AlB12C2，Al4C31100℃ Ⅹ，AlB2，α-AlB12，AlB12C2，Al4C31200℃ Ⅹ，α-AlB12，AlB12C2，Al4C31300℃ Ⅹ，α-AlB12，AlB12C2，Al4C3，AlB24C4，1400℃ Ⅹ，α-AlB12，AlB12C2，Al4C3，AlB24C4，Al4B1-3C4＊还有硼碳化物与铝或它们的各种合金或游离碳附注还可能存在痕量的B-C-Al的其它相表Ⅱ显微硬度 密度相 (公斤/平方毫米) (克/立方厘米)B4C 2750-4950 2.52AlB2900 3.16α-AlB122600 2.56AlB24C4(AlB10) 2530-2650 2.54AlB12C2- 2.63Al4C3- 2.93Al 19 2.70勘误表 CPCH86623权利要求1.包括具有可调微结构的一种铝-硼碳化物复合材料在内的物质组成，它至少具有以下各种相中的任意四种(a)AlB2，(b)α-AlB12，(c)Al-B12C2，(d)Al4C3，(e)AlB24C4，(f)Al4B1-3C4，(g)含碳、硼和铝的一种相，其X射线衍射图如表Ⅰ所示，(h)B4C，以及(g)一种铝相，均匀地分布于此种复合料中。2.按照权利要求1中的组成，其中，复合材料陶瓷-金属界面上的粘结力实质上已最大化。3.按照权利要求1中的组成，包括一种含硼、碳和铝的相，并显示出表I所示的X射线衍射图。4.按照权利要求1中的组成，至少包括以下四个相AlB2、α-AlB12、AlB12C2与Al4C3。5.按照权利要求1中的物质组成，其中的复合料基本上是完全致密的。6.按照权利要求2中的物质组成，其中的复合料基本上是完全致密的。7.按照权利要求3中的物质组成，其中的复合料基本上是完全致密的。8.按照权利要求4中...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼C霍尔沃森，亚历克桑德J皮齐克，伊尔汉A阿克塞，
申请(专利权)人：加州大学评议会，
类型：发明
国别省市：US[美国]