类碳化硼相‑碳化硅或类碳化硼相‑碳化硅‑碳化硼复相陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及了类碳化硼相‑碳化硅或类碳化硼相‑碳化硅‑碳化硼复相陶瓷材料及其制备方法，所述复相陶瓷包括由碳化硼和Si粉高温反应形成的类碳化硼相和碳化硅相，所述类碳化硼相的化学组成为B12(B,C,Si)3，所述复相陶瓷中类碳化硼相的体积分数为40～90%。本发明专利技术以碳化硼和Si粉为原料，高温反应生成碳化硅粉体和类碳化硼粉体，再经烧结制得含有碳化硅相和类碳化硼相的复相陶瓷，即类碳化硼相‑碳化硅复相陶瓷材料，类碳化硼的晶格参数接近碳化硼，然后其比碳化硼更容易烧结，从而本发明专利技术提供的复相陶瓷兼具有碳化硼、碳化硅的优异性能，且易烧结，致密度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高性能陶瓷材料及其制备方法，尤其涉及一种高性能复相陶瓷材料的制备方法，属于材料科学领域。
技术介绍
碳化硼是一种强共价键化合物，具有密度低(理论密度2.52g/cm3)、硬度高(仅次于立方氮化硼和金刚石)、常温化学稳定性高、中子吸收界面大的特点。基于上述特点，碳化硼在作为防弹材料、中子吸收材料、耐磨材料等方面具有重要应用。碳化硅也是一种共价键为主的材料，具有高熔点、化学稳定性好、耐磨性好、高热导、高温强度性能好等优点。这使得碳化硅在密封材料、热交换材料、耐高温部件方面具有重要应用。结合两者优点，研究者希望制备出碳化硼-碳化硅复相材料。但共价键特性导致碳化硼和碳化硅陶瓷材料均难以烧结致密，特别是碳化硼，其共价键特性更强。这难以满足应用中高致密度的需求。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述问题提供了类碳化硼相-碳化硅或类碳化硼相-碳化硅-碳化硼复相陶瓷，所述复相陶瓷包括由碳化硼和Si粉高温反应形成的类碳化硼相和碳化硅，所述类碳化硼相的化学组成为B12(B,C,Si)3。最终形成所述复相陶瓷中类碳化硼相体积分数在40％～90％。本专利技术以碳化硼和Si粉为原料，高温反应生成碳化硅粉体和类碳化硼粉体，再经烧结制得含有碳化硅相和类碳化硼相的复相陶瓷，即类碳化硼相-碳化硅复相陶瓷材料，类碳化硼的晶格参数接近碳化硼，然后其比碳化硼更容易烧结，从而本专利技术提供的复相陶瓷兼具有碳化硼、碳化硅的优异性能，且易烧结，致密度高。本专利技术中，原料中碳化硼粉体含量较高时，所述复相陶瓷还包括碳化硼相，所述复相陶瓷中碳化硼相的体积分数为0～10％，烧结可制得类碳化硼相-碳化硅-碳化硼复相陶瓷。又，本专利技术中，所述复相陶瓷的密度为2.55～3.00g/cm3。本专利技术还提供一种上述复相陶瓷的制备方法，包括：配制碳化硼10～90wt％，Si粉90～10wt％，各组分质量百分比和为100％，均匀混合并干燥，将所得产物在惰性气氛、还原性气氛或真空气氛中，以1～50℃/min的升温速率升温到1410～2100℃，保温时间为0.5～12小时，优选0.5～7小时，以1～50℃/分钟降温速率降至室温或随炉冷却至室温；将所得粉体经过高能球磨或砂磨，而后进行酸洗2～5次，酸洗后按顺序进行离子水、酒精、甲醇各清洗2～5次，待烘干后即可得到高纯的复相陶瓷粉体；将所得复相陶瓷粉体与烧结助剂混合，经成型得到陶瓷坯体；所得陶瓷坯体低温脱粘后，烧结制得所述复相陶瓷。较佳地，所述碳化硼粉体纯度在95wt％以上，平均粒径范围为0.1～100微米，优选0.1微米，Si粉纯度在99％以上，平均粒径范围为1微米～1毫米，优选1微米。较佳地，所述酸洗所用的酸为HF外、H2SO4、HNO3、和HCl中的至少一种。本专利技术中，所述烧结助剂为炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳的有机前驱体、金属的碳化物、硼化物、氮化物、硅化物和氧化物中的至少一种，与所述烧结助剂与复相陶瓷粉体质量比为(0.001～0.05):1。当所述烧结助剂为固体颗粒时，平均粒径范围为0.1微米～0.5微米。本专利技术中，所述成型包括干压-等静压、注浆、流延和挤出等干法或湿法成型方法。本专利技术中，所述脱粘是在真空气氛或惰性气氛下进行，温度为900～1200℃。本专利技术中，所述坯体的烧结方式为高温无压烧结：以1～50℃/min升温速率升温至1800～2300℃，保温时间为1～24小时，以1～50℃/min降温速率降至室温或随炉降温。或者坯体烧结方式为热压烧结：压力范围5～100MPa，以1～50℃/min升温速率升温至1700～2300℃，保温时间为1～24小时，以1～50℃/min降温速率降至室温或随炉降温。再或者坯体烧结方式为等静压烧结：压力范围5～100MPa，以1～50℃/min升温速率升温至1700～2300℃，保温时间为1～24小时，以1～50℃/min降温速率降至室温或随炉降温。较佳地，所述坯体烧结氛围为惰性气氛或还原性气氛。本专利技术的有益效果是，提供了一种制备类碳化硼相-碳化硅或类碳化硼相-碳化硅-碳化硼复相陶瓷材料，该陶瓷材料结合了碳化硅和碳化硼两者优点，相对于碳化硼-碳化硅材料具有更易烧结致密化的特点。附图说明图1为本专利技术制备的酸洗前的粉体的XRD图谱；图2为本专利技术制备的B12(B,C,Si)3-SiC复合粉体的扫描电镜图片；图3为本专利技术制备的B12(B,C,Si)3-SiC复相陶瓷的扫描电镜图片。具体实施方式结合下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。以下说明本专利技术的复相陶瓷的示例制备方法，包括：配制碳化硼(纯度在95wt％以上，平均粒径范围为0.1～100微米)，Si粉(纯度在99％以上，均粒径范围为1微米～1毫米)，各组分质量百分比和为100％，将粉体在去离子水或有机溶剂中进行充分混合并干燥，干燥方式真空干燥、冷冻干燥或在烘箱中烘干，优选真空干燥，干燥温度80-120℃。将所得产物在惰性气氛(例如Ar、Ne)、还原性气氛(例如H2)或真空气氛中煅烧一定时间，将所得粉体经过高能球磨或砂磨，以降低粉体的粒径，来获得高比表面积的复合粉体，但球磨或砂磨中会产生杂质。采用酸处理降低杂质含量，进行2～5次酸洗，较佳地所述酸中包含HF，此外还包含但不仅限于有H2SO4，HNO3，HCl中的一种或多种，酸洗后按顺序进行离子水、酒精、甲醇各清洗2～5次，待烘干后即可得到高纯的复相陶瓷粉体，烘干方式可选为真空干燥、冷冻干燥或在烘箱中干燥，优选真空干燥。所得复相陶瓷粉体的平均粒径在0.5微米以下。将所得复相陶瓷粉体与烧结助剂混合成型制得陶瓷素坯，烧结助剂包括但不限于下面的一种或多种：炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳的有机前驱体(如酚醛树脂)、金属的碳化物、硼化物、氮化物或氧化物。所选烧结助剂存在固体颗粒状和液体状之分，烧结助剂为固体颗粒时，其平均粒径范围为0.1微米～0.5微米。烧结助剂的加入量为0.1～5wt％相对于上述制备的粉体。成型方式可选为干压-等静压、注浆、流延和挤出等干法或湿法成型方法，制备具有一定形状的陶瓷坯体。所得坯体低温脱粘后经烧结得到所述高致密的类碳化硼相-碳化硅或类碳化硼相-碳化硅-碳化硼复相陶瓷材料。脱粘是在真空气氛或惰性气氛(例如Ar)下进行，温度为900～1200℃。烧结方式可选为无压烧结、热压烧结和等静压烧结，烧结气氛为惰性气氛或还原性气氛，例如Ar、Ne或H2等不与原料或烧结助剂反应的气本文档来自技高网...

【技术保护点】
类碳化硼相‑碳化硅或类碳化硼相‑碳化硅‑碳化硼复相陶瓷，其特征在于，所述复相陶瓷包括由碳化硼和Si粉高温反应形成的类碳化硼相和碳化硅相，所述类碳化硼相的化学组成为B12(B,C,Si)3，所述复相陶瓷中类碳化硼相的体积分数为40～90%。

【技术特征摘要】
1.类碳化硼相-碳化硅或类碳化硼相-碳化硅-碳化硼复相陶瓷，其特征在于，所述复相陶瓷包括由碳化硼和Si粉高温反应形成的类碳化硼相和碳化硅相，所述类碳化硼相的化学组成为B12(B,C,Si)3，所述复相陶瓷中类碳化硼相的体积分数为40～90%。
2.根据权利要求1所述的复相陶瓷，其特征在于，所述复相陶瓷还包括碳化硼相，所述复相陶瓷中碳化硼相的体积分数为0～10%。
3.根据权利要求1或2所述的复相陶瓷，其特征在于，所述复相陶瓷的密度为2.55～3.00g/cm3。
4.一种权利要求1～3中任一项所述的复相陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：
配制碳化硼10～90wt%，Si粉90～10wt%，各组分质量百分比和为100%，均匀混合并干燥，将所得产物在惰性气氛、还原性气氛或真空气氛中，以1～50℃/min的升温速率升温到1410～2100℃，保温时间为0.5～12小时，优选0.5～7小时，以1～50℃/分钟降温速率降至室温或随炉冷却至室温；
将所得粉体经过高能球磨或砂磨，而后进行酸洗2～5次，酸洗后按顺序进行离子水、酒精、甲醇各清洗2～5次，待烘干后即可得到高纯的复相陶瓷粉体；
将所得复相陶瓷粉体与烧结助剂混合，经成型得到陶瓷坯体；
所得陶瓷坯体低温脱粘后，烧结制得所述复相陶瓷。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硼纯度在95wt%以上，平均粒径范围为0.1～100微米，优选0.1微米，Si粉纯度在99%以上，平均粒径范围为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓光，余明先，张景贤，姚秀敏，陈忠明，刘学建，黄政仁，江东亮，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31