一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法技术

本发明专利技术涉及一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，属于功能防护材料制备领域。所述方法通过将TiB2粉和Al粉加入球磨罐中，混合均匀，干燥，得到混合粉末；采用放电等离子烧结系统对所述混合粉末进行烧结处理，得到所述TiB2陶瓷块体。电场会在烧结过程中清洁和活化所述混合粉末的颗粒表面，使混合粉末致密化过程在较低的烧结温度下进行，大大缩短烧结时间，烧结得到的TiB2陶瓷块体致密度高，硬度高，综合性能良好，可应用于防护材料领域；所述方法简单易行，周期短，实用性强，有利于工业化。

Rapid preparation method of TiB2 ceramic block

The invention relates to a rapid preparation method of TiB2 ceramic blocks, belonging to the field of preparation of functional protective materials. The method by using TiB2 powder and Al powder add milling tank, mixing, drying, mixing powder; by spark plasma sintering system of the mixed powder sintering, the TiB2 ceramic block. The electric field will surface particle cleaning and activation in the process of sintering the mixed powder, the powder densification process at lower sintering temperature, greatly shorten the sintering time, the sintering of TiB2 ceramic block with high density, high hardness, good comprehensive performance, can be applied to the field of protective materials; the method is simple, short cycle, strong practicability, is conducive to the industrialization.

【技术实现步骤摘要】
一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法
本专利技术涉及一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，属于功能防护材料制备领域。
技术介绍
TiB2的晶格结构为密排六方结构，相互以共价键结合，是一种极为稳定的超硬陶瓷材料，具有优良的物理、化学及力学性能，如：高熔点(2980℃)、高硬度(34GPa)、耐腐蚀、良好的高温性能、高导电性、高导热性(20W·m·K～25W·m·K)以及相对较低的密度(4.5g/cm3)，其用途极其广泛，几乎涉及到国民经济的各个部门和现代技术的各个领域，对工业的发展和生产率的提高起着重要的推动作用。目前，制备TiB2陶瓷块体主要有无压烧结、热压烧结、自蔓延高温合成法等。但是TiB2中硼原子面和钛原子面之间的Ti-B离子键以及B-B共价键决定了这种材料的烧结性能较差，采用常规的烧结方法需要很高的烧结温度和较长的烧结时间。以往研究表明，无压烧结工艺很难获得致密度大于95％以上的TiB2陶瓷块体。而热压烧结、自蔓延高温合成虽然能得到致密度较高的陶瓷块体，但是烧结所需温度高(≥1800℃)，时间长(≥1h)。例如美国橡树岭国家实验室的研究人员采用热压工艺在1800℃条件下保温2h，才获得相对密度97％以上的TiB2材料。此外，传统烧结耗时长所引起的晶粒粗化也会导致TiB2陶瓷块体的强度下降。国外学者Sullggi和Baik等人研究表明随着晶粒的增大，TiB2陶瓷中残余应力增加很快，导致大量的微裂纹生成，机械性能劣化。如何在避免晶粒异常长大的同时得到完全密实的TiB2陶瓷烧结体是目前各国学者所关心的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，所述方法采用放电等离子烧结系统，通过添加少量Al粉(0.5wt％～5wt％)，在烧结过程中充当助烧剂与填隙剂，实现TiB2陶瓷块体的快速可控低成本制备。本专利技术所提供的方法能降低烧结温度(≤1750℃)，大大缩短烧结时间(≤30min)，提高致密度，改善材料力学性能，是未来复合防护材料中陶瓷材料的理想选择。本专利技术的目的由以下技术方案实现。一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，所述方法步骤如下：(1)将TiB2粉和Al粉加入球磨罐中，混合均匀得到混合泥浆，干燥，得到混合粉末；其中，TiB2粉和Al粉的质量比为(19～199):1；优选所TiB2粉的粒径≤20μm；优选Al粉的粒径≤80μm；优选所述球磨采用SM-QB行星式球磨机；优选球磨参数为：球磨介质为无水乙醇；球料比为3:1；球磨机转速为300r/min，球磨时间为0.5h～1h；其中，优选磨球由质量比为1:1的大玛瑙球和小玛瑙球组成，大玛瑙球的直径为10mm，小玛瑙球的直径为5mm；优选所述干燥过程为：先将球磨完成后的混合泥浆于70℃～80℃下进行真空干燥，待球磨介质挥发完毕后，于30℃～80℃下干燥0.5h～1h；优选所述真空干燥采用真空旋转蒸发仪，其转速为40r/min～100r/min；(2)采用放电等离子烧结系统对所述混合粉末进行烧结处理，得到本专利技术所述TiB2陶瓷块体。其中，烧结过程为：在初始真空度<15Pa，初始压力为0.2MPa～1MPa下，以60℃/min～180℃/min的升温速率进行升温；当温度升至600℃时，调节升温速率为30℃/min以下；当温度高于680℃，且烧结的混合粉末位移率变化量≤0.02mm/s时，调节升温速率为50℃/min～120℃/min；当温度高于1200℃～1700℃且真空度<15Pa时，调节升温速率为30℃/min～50℃/min，并同时加压，待温度升至1250℃～1750℃，压力达5MPa～50MPa后，保温保压3min～15min；然后保持压力不变，随炉冷却至900℃以下，卸除压力，随炉冷却至100℃以下。有益效果1.本专利技术提供了一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，所述方法选用TiB2粉和Al粉的混合粉末为原料，采用放电等离子烧结系统进行烧结，电场会在烧结过程中清洁和活化所述混合粉末的颗粒表面，使混合粉末致密化过程在较低的烧结温度下进行(1250℃～1750℃)，大大缩短烧结时间(≤30min)，烧结得到的TiB2陶瓷块体致密度高(致密度可高达99.7％)，硬度高(高达32.8GPa)，综合性能良好，可应用于防护材料领域；2.本专利技术提供了一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，所述方法简单易行，周期短，实用性强，有利于工业化。附图说明图1为实施例1～4中制备的TiB2陶瓷块体的厚度与致密度值。图2为实施例1～4中制备的TiB2陶瓷块体的维氏硬度值。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作详细的阐述。以下实施例中所述TiB2粉由丹东日进科技有限公司生产，其平均粒径为3μm，纯度为99.8％。所述Al粉由河南远洋铝业有限公司生产，平均粒径为20μm，纯度为99.5％；其各组分及质量分数(wt％)如表2所示：表2所述无水乙醇由北京市通广精细化工公司生产。所述维氏硬度的测量采用LECO公司生产的LM700AT显微硬度测试仪。所述实际密度根据国标GB/T1423-1996《贵金属及其合金密度的测试方法》中规定的方法进行。所述致密度D的计算公式为：D＝ρ实际/ρ理论×100％，其中，ρ实际表示实际密度，ρ理论表示理论密度。实施例1一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，所述方法步骤如下：(1)将99.5gTiB2粉和0.5gAl粉加入SM-QB行星式球磨机的球磨罐中，并按球料比3:1加入磨球和过量的无水乙醇；在300r/min的转速下，球磨0.5h，混合均匀得到混合泥浆；将所述混合泥浆倒入真空旋转蒸发仪中，在转速为100r/min、水浴温度为80℃条件下转蒸0.5h，得到混合粉末前体；将混合粉末前体放入电热恒温鼓风干燥箱中，于60℃下干燥1h，得到混合粉末。其中，磨球由质量比为1:1的大玛瑙球和小玛瑙球组成，大玛瑙球的直径为10mm，小玛瑙球的直径为5mm。(2)将100g混合粉末放入内径为60mm的石墨模具中，再用石棉毡包裹石墨模具，放入放电等离子烧结系统中，设置炉腔内初始真空度<15Pa，初始压力为0.2MPa，以60℃/min的升温速率进行升温，当温度升至600℃时，调节升温速率为30℃/min；当温度高于680℃且烧结的混合粉末位移率变化量≤0.02mm/s时，调节升温速率为50℃/min；当温度高于1700℃、且真空度<15Pa时，调节升温速率为30℃/min，并同时加压，待温度升至1750℃，压力达5MPa后，保温保压15min；然后先保持压力不变，随炉冷却至900℃以下，卸除压力，再随炉冷却至100℃以下，取出烧结后的陶瓷块体，使用乙醇和去离子水清洗陶瓷的表面，得到一种TiB2陶瓷块体。如图1所示，TiB2陶瓷块体的厚度为7.96mm，致密度为98.9％；如图2所示，对所述TiB2陶瓷块体维氏硬度测量，300gf的试验力下，保持10s，得到维氏硬度值为32.8GPa。实施例2一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，所述方法步骤如下：(1)将95gTiB2粉和5gAl粉加入SM-QB行星式球磨机的球磨罐中，并按球料比3:1加入磨球和过量的无水乙醇；在300r/min的转速下，球磨1h，混合均匀得到混本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)将TiB2粉和Al粉加入球磨罐中，混合均匀得到混合泥浆，干燥，得到混合粉末；TiB2粉和Al粉的质量比为(19～199):1；(2)采用放电等离子烧结系统对所述混合粉末进行烧结处理，得到所述TiB2陶瓷块体；烧结过程为：在初始真空度<15Pa，初始压力为0.2MPa～1MPa下，以60℃/min～180℃/min的升温速率进行升温；当温度升至600℃时，调节升温速率为30℃/min以下；当温度高于680℃，且烧结的混合粉末位移率变化量≤0.02mm/s时，调节升温速率为50℃/min～120℃/min；当温度高于1200℃～1700℃且真空度<15Pa时，调节升温速率为30℃/min～50℃/min，并同时加压，待温度升至1250℃～1750℃，压力达5MPa～50MPa后，保温保压3min～15min；然后保持压力不变，随炉冷却至900℃以下，卸除压力，随炉冷却至100℃以下。

【技术特征摘要】
1.一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)将TiB2粉和Al粉加入球磨罐中，混合均匀得到混合泥浆，干燥，得到混合粉末；TiB2粉和Al粉的质量比为(19～199):1；(2)采用放电等离子烧结系统对所述混合粉末进行烧结处理，得到所述TiB2陶瓷块体；烧结过程为：在初始真空度<15Pa，初始压力为0.2MPa～1MPa下，以60℃/min～180℃/min的升温速率进行升温；当温度升至600℃时，调节升温速率为30℃/min以下；当温度高于680℃，且烧结的混合粉末位移率变化量≤0.02mm/s时，调节升温速率为50℃/min～120℃/min；当温度高于1200℃～1700℃且真空度<15Pa时，调节升温速率为30℃/min～50℃/min，并同时加压，待温度升至1250℃～1750℃，压力达5MPa～50MPa后，保温保压3min～15min；然后保持压力不变，随炉冷却至900℃以下，卸除压力，随炉冷却至100℃以下。2.根据权利要求1所述的一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，其特征在于：TiB2粉的粒径≤20μm；Al粉的粒径≤80μm。3.根据权利要求1或2所述的一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，其特征在于：所述球磨采用SM-QB行星式球磨机。4.根据权利要求1或2所述的一种TiB2陶瓷块体的快速制备方法，其特征在于：球磨参数为：球磨介质为无水乙醇；球料比为3:...

【专利技术属性】
技术研发人员：张朝晖，程兴旺，胡正阳，王富耻，王虎，李昇霖，宋奇，李云凯，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11