一种TiB-TiB2-Al复合陶瓷的快速制备方法技术

本发明专利技术涉及一种TiB‑TiB2‑Al复合陶瓷的快速制备方法，属于功能防护材料制备领域。所述方法将TC4粉，Al粉和TiB2粉加入球磨罐中，加入球磨介质，球磨至混合均匀，干燥，得到混合粉体；采用放电等离子烧结系统对所述混合粉体进行烧结处理，得到TiB‑TiB2‑Al复合陶瓷。所述方法制备得到的TiB‑TiB2‑Al复合陶瓷致密度高，硬度高，强度高，综合性能良好，可应用于防护材料领域；生产工艺简单易行，周期短，实用性强，利于工业化。

【技术实现步骤摘要】
一种TiB-TiB2-Al复合陶瓷的快速制备方法
本专利技术涉及一种TiB-TiB2-Al复合陶瓷的快速制备方法，属于功能防护材料制备领域。
技术介绍
在现代高科技战争中，作战人员和武器装备的防护日益受到重视。然而，传统的装甲防护系统又难以实现防护效能与机动性能的有机结合，因此目前迫切需要研制一种高效、轻质的装甲防护系统。近年来，陶瓷复合材料在装甲防护领域的应用受到了人们的广泛关注。硼化钛体系陶瓷作为一种新型具有耐腐蚀、硬度高、熔点高、模量高、密度相对较低等突出特性，是极为理想的重型装甲材料，将其用于战车的装甲面板，能够防御大口径穿甲弹的侵彻。但是作为陶瓷，它的致命弱点——脆性，断裂韧性差，不易烧结大大限制了其更广泛的应用。因此，改善硼化钛体系陶瓷的韧性，提高致密度已成为硼化钛体系陶瓷材料得到进一步应用的核心问题。根据资料报道，通过添加金属(铝)后，可以使一些陶瓷材料(例如B4C，SiC等)烧结温度大大降低，保温时间也会缩短。并且，在烧结过程中液相的铝可以有效填充陶瓷晶粒间的缝隙，提高致密度。此外，铝还可作为粘结相，显著提升陶瓷材料的韧性。但是，由于TiB-TiB2-Al复相陶瓷制备工艺复杂，成本高，截止目前为止，还没有将其应用到防护材料的报导。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种TiB-TiB2-Al复合陶瓷的快速制备方法，所述方法以TC4粉，Al粉和TiB2粉为原料，采用放电等离子烧结系统，利用其烧结效率高，外加压力和烧结气氛可控的优点，在较低的烧结温度下原位反应制备TiB-TiB2-Al体系复合陶瓷，既能继承TiB2陶瓷的优点，提高致密度与韧性，又能降低烧结温度，降低成本。本专利技术的目的由以下技术方案实现。一种TiB-TiB2-Al复合陶瓷的快速制备方法，所述方法步骤如下：(1)将TC4粉、TiB2粉和Al粉加入球磨罐中，加入球磨介质，混合均匀得到混合泥浆，干燥，得到混合粉体；其中，TC4粉和TiB2粉的质量比为0.69～4.63:1；Al粉的质量为混合粉体质量的1％～30％；优选TC4粉的粒径≤80μm；优选TiB2粉的粒径≤20μm；优选Al粉的粒径≤80μm；优选球磨，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；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；优选干燥为：将球磨完成后的混合泥浆于70℃～80℃真空干燥至球磨介质挥发完毕后，再于30℃～80℃干燥0.5h～1h；优选真空干燥采用真空旋转蒸发仪，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体进行烧结处理，得到本专利技术所述TiB-TiB2-Al复合陶瓷；其中，烧结过程为：在真空度<15Pa，初始压力为0.2MPa～2MPa下，先以30℃/min～120℃/min的升温速率进行升温，当温度升至600℃～630℃时，调节升温速率为20℃/min以下；当温度高于680℃、真空度<15Pa，且烧结的混合粉体收缩位移率变化量≤0.02mm/s时，调节升温速率为30℃/min～100℃/min；当温度升至950℃～1350℃时，调节升温速率为30℃/min以下，并同时加压；待温度升至1000℃～1400℃，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TiB-TiB2-Al复合陶瓷的快速制备方法，所述方法选用TC4粉、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，使混合粉末在较低的烧结温度下充分反应，烧结得到的TiB-TiB2-Al复合陶瓷致密度高，韧性好，强度高，综合性能良好；所述TiB-TiB2-Al复合陶瓷致密度高达99.5％，动态压缩强度值高达950MPa，可应用于防护材料领域；2.本专利技术提供了一种TiB-TiB2-Al复合陶瓷的快速制备方法，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1～5中制备的TiB-TiB2-Al复合陶瓷的厚度与致密度值。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TC4粉由北京泰欣隆有限公司生产，平均粒径为45μm，纯度为99.8％；其中组成成分及质量分数(wt.％)如表1所示：表1所述TiB2粉由丹东日进科技有限公司生产，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％；其中组成成分及质量分数(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。所述动态压缩强度的测量采用分离式Hopkinson压杆装置(SHPB)。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。所述复合陶瓷理论密度计算公式：其中，M总为混合粉体总质量，MTiB，MTiB2，MAl分依次别为TiB，TiB2和Al的理论质量，ρTiB＝4.50g/cm3，ρTiB2＝4.51g/cm3，ρAl＝2.7g/cm3。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TiB-TiB2-Al复合陶瓷的快速制备方法，所述方法步骤如下：(1)将38.8gTC4粉、51.7gTiB2粉和9.5gAl粉加入SM-QB行星式球磨机的球磨罐中，并按球料比为3:1加入磨球和过量的无水乙醇；在300r/min的转速下，球磨1h，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80r/min、水浴温度为70℃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30℃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；所述大玛瑙球的直径为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0.5MPa，先以30℃/min的升温速度升温至600℃时，调节升温速率为20℃/min；当温度高于680℃、真空度<15Pa，且烧结的混合粉体收缩位移率变化量≤0.02mm/s时，调节升温速率为30℃/min；当温度升至1200℃时，调节升温速率为30℃/min以下，并同时加压；待温度升至1250℃，压力达40MPa后，保温保压5min；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，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，得到本实施例所述TiB-TiB2-Al复合陶瓷。所述TiB-TiB2-Al复合陶瓷中Al的质量分数为9.5％，实际密度为4.22g/cm3，理论密度为4.24g/cm3；如图1所示，TiB-TiB2-Al复合陶瓷的厚度为8.4mm，致密度为99.5％，动态压缩强度值为950MPa。实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TiB‑TiB2‑Al复合陶瓷的快速制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)将TC4粉、TiB2粉和Al粉加入球磨罐中，加入球磨介质，混合均匀得到混合泥浆，干燥，得到混合粉体；TC4粉和TiB2粉的质量比为0.69～4.63:1；Al粉的质量为混合粉体质量的1％～30％；(2)采用放电等离子烧结系统对所述混合粉体进行烧结处理，得到本专利技术所述TiB‑TiB2‑Al复合陶瓷；烧结过程为：在真空度<15Pa，初始压力为0.2MPa～2MPa下，先以30℃/min～120℃/min的升温速率进行升温，当温度升至600℃～630℃时，调节升温速率为20℃/min以下；当温度高于680℃、真空度<15Pa，且烧结的混合粉体收缩位移率变化量≤0.02mm/s时，调节升温速率为30℃/min～100℃/min；当温度升至950℃～1350℃时，调节升温速率为30℃/min以下，并同时加压；待温度升至1000℃～1400℃，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TiB-TiB2-Al复合陶瓷的快速制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)将TC4粉、TiB2粉和Al粉加入球磨罐中，加入球磨介质，混合均匀得到混合泥浆，干燥，得到混合粉体；TC4粉和TiB2粉的质量比为0.69～4.63:1；Al粉的质量为混合粉体质量的1％～30％；(2)采用放电等离子烧结系统对所述混合粉体进行烧结处理，得到本发明所述TiB-TiB2-Al复合陶瓷；烧结过程为：在真空度<15Pa，初始压力为0.2MPa～2MPa下，先以30℃/min～120℃/min的升温速率进行升温，当温度升至600℃～630℃时，调节升温速率为20℃/min以下；当温度高于680℃、真空度<15Pa，且烧结的混合粉体收缩位移率变化量≤0.02mm/s时，调节升温速率为30℃/min～100℃/min；当温度升至950℃～1350℃时，调节升温速率为30℃/min以下，并同时加压；待温度升至1000℃～1400℃，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TiB-TiB2-Al复合陶瓷的快速制备方法，其特征在于：TC4粉的粒径≤80μm；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TiB-TiB2-Al复合陶瓷的快速制备方法，其特征在于：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TiB-TiB2-Al...

【专利技术属性】
技术研发人员：程兴旺，张朝晖，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