碳化硼复合材料的无压烧结制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化硼复合材料的无压烧结制备方法，制备原料为碳化硼83～94.9％，硼化铪1～6％，二氧化钛1～5％，碳0.1～6％，粘结剂2～20％，聚酰亚胺0.5～5％，分散剂0.5‑2％；将物料经过球磨、喷雾干燥、过筛烘干、混合、压制成型、素坯真空烧结等步骤制成碳化硼复合材料。本发明专利技术碳化硼陶瓷复合材料配伍合理，在碳化硼粉的基础上，添加一定量的硼化铪、二氧化钛以作为增韧相，并控制优化的制备工艺条件，使制得的碳化硼复合材料在具有高硬度、比重小、耐高温、化学稳定性好、热膨胀系数小、导热率好等特点的同时韧性提高。

Preparation of boron carbide composite by Pressureless Sintering

【技术实现步骤摘要】
碳化硼复合材料的无压烧结制备方法
本专利技术涉及一种无机复合材料，尤其是涉及碳化硼复合材料，同时涉及其制备方法。
技术介绍
碳化硼由于具有高硬度(仅次于金刚石和立方氮化硼)、比重小(2.52g/cm3)、弹性模量高(450GPa)、耐高温、化学稳定性好、热膨胀系数小、导热率好以及良好的中子吸收能力等特点，因此在机械密封行业、轻质防弹装甲、硬质磨削材料、耐磨轴承、高级耐火材料、航空航天、核反应堆的屏蔽材料等诸多领域得到了广泛地应用。但是由于碳化硼的共价键分数高达93.94％，高于其他结构陶瓷，如SiC(88％)，SiN4(70％)等，也因此纯碳化硼很难烧结致密；同时碳化硼是一种脆性材料，断裂韧性KIC≤2.2MPa·m1/2，需要对材料机械性能进行改进。为了获得致密的B4C，一般采用热压烧结法来制取，制备时在真空热压炉或普通热压炉中进行，热压温度为2100℃，压力为80～100MPa，保温数分钟，降温时需要保持压力，由于B4C的抗热震性较差，因此降温要缓慢，热压温度不宜过高，到2150℃在80-100MPa下会出现B4C-C共晶液相，但温度过低，则产品密度低，其烧结过程控制条件严格，制备时间长，而且由于需要缓慢降温，不适宜制备较大尺寸的碳化硼陶瓷复合材料。无压烧结，也叫常压烧结，虽然可以制备尺寸大、形状复杂的碳化硼陶瓷产品，但目前无压烧结制备出的碳化硼陶瓷致密度低，导致陶瓷的强度、硬度和韧性等性能较差，成为限制碳化硼陶瓷应用的瓶颈。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种能够制备致密度高，强度、韧性等机械性能良好的碳化硼复合材料的无压烧结方法。本专利技术的技术方案是提供碳化硼复合材料的无压烧结制备方法，按照重量百分比计，其制备原料为碳化硼83～94.9％，硼化铪1～6％，二氧化钛1～5％，碳0.1～6％，粘结剂2～20％，聚酰亚胺0.5～5％，分散剂0.5-2％；制备方法步骤包括：(1)制备原料按配比称量，将除了聚酰亚胺之外的物料装入球磨机中球磨10-60h；球磨采用湿磨，其中球料比为5:1，料液比为1:1～2.5g/L；(2)球磨好的物料加入聚酰亚胺陈腐后采用喷雾干燥制粒，然后过40～60目筛，粉料的含水率控制在0.7～2.5％；(3)将过筛后的粉料加入脱模剂，混匀后备用；脱模剂可以选择石蜡、硬脂酸类等；(4)将步骤(3)的混合料压制成型，成型压力为0.5～4T/cm2；(5)将步骤(4)得到的坯料修整加工，加工好的素坯真空烧结，一般采用真空热压炉，真空度为-0.1Mpa，最高烧成温度2050～2150℃，最高烧成温度下保温时间0.5～4h，然后随炉冷却；(6)将烧结好的产品进行磨加工及抛光处理，检验合格后入库。进一步地，上述粘结剂为树脂粘结剂。进一步地，上述碳为石墨粉、炭黑。进一步地，上述分散剂为焦磷酸钠。进一步地，上述步骤(1)中球磨加入的液体组成为体积比水：正丁醇：乙醇＝1:1:1。进一步地，上述步骤(5)中烧结升温速率为先5～15℃/min升温至600℃，保温0.5～2h进行保温排胶，5～15℃/min升温速率较为适宜以免升温太快水分和气体来不及排出导致产品易开裂，再10℃/min升温至最高烧结温度，此阶段为收缩阶段，10℃/min升温速率适宜，升温太快产品易开裂。本专利技术的优点和有益效果：由于碳化硼陶瓷脆性高，需要加入其他物质对其进行补强增韧，采用本专利技术方法制得的碳化硼复合陶瓷材料烧结后原料反应得到硼化铪、碳化铪、碳化钛和硼化钛，主要利用硼化铪、碳化铪、碳化钛和硼化钛作为第二相颗粒来增强材料的韧性，上述的第二相颗粒与基体碳化硼之间润湿性、混合性良好，界面反应和扩散互溶效应弱，因此可形成适中的相界面结合强度，能够利用裂纹偏转增韧、微裂纹增韧及钉扎效应，增强材料的韧性，即材料在受到一定外力的作用时发生断裂，裂纹在扩展过程中路径发生偏转、分叉会消耗更多的能量，路径越蜿蜒曲折，分叉越多，消耗的能量就越多，裂纹路径扩展的长度越短，预示着材料的断裂初性越高；此外聚酰亚胺、碳等在高温烧结过程中会形成CO、CO2等，气体的逸出、挥发及反应会形成具有较高活性的细小颗粒，对反应后期固相烧结具有间接促进作用，形成的多种物相在烧结时抑制颗粒的异常长大，有利于碳化硼陶瓷复合材料的致密化、提高其韧性。因此总体上本专利技术碳化硼陶瓷复合材料配伍合理，在碳化硼粉的基础上，添加一定量的硼化铪、二氧化钛以作为增韧相，使制得的碳化硼复合材料在具有高硬度、比重小、耐高温、化学稳定性好、热膨胀系数小、导热率好以及良好的中子吸收能力等特点的同时韧性提高。在制备过程中，首先将物料按照一定的球料比、料液比进行球磨，使物料进一步细化并混合均匀，形成完全的固溶体；湿磨完成后回收液体介质(过120目筛)并烘干粉料，加入脱模剂后过40-60目筛后放入模具中压制成型，使之成为具有一定形状、密度和密度分布的素坯。在这过程中，粉料的粒径和压制压力都对最终复合材料的性能产生影响，筛选出的40-60目的粉料颗粒团聚较少、分散良好，便于压制成型，可以形成较多的细小均匀的内部结构，获得硬度、韧性等性能更好的陶瓷复合材料。同时，压制压力对素坯的压制密度和素坯烧结后的变形开裂有很大影响，在本专利技术0.5～4T/cm2的压制压力下，素坯密度分布相对均匀，在烧结过程中也不会出现变形和开裂现象。在压制成型后，本专利技术采用真空烧结工艺制备碳化硼陶瓷复合材料，并控制烧结温度和保温时间在本专利技术范围内，以免因为温度过高或者保温时间过长使得晶粒明显长大，致密性变差，导致材料性能下降。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步说明。实施例1本专利技术提供一种碳化硼复合材料的无压烧结制备方法，按照如下重量百分比配比称取制备原料：碳化硼83％，硼化铪1％，二氧化钛4％，石墨粉1％，聚乙烯醇树脂粘结剂9％，聚酰亚胺1.5％，焦磷酸钠分散剂0.5％；将上述原料中除了聚酰亚胺之外的物料装入球磨机中球磨10h，其中球料比为5:1，并加入由水：正丁醇：乙醇＝1:1:1(体积比)组成的球磨液体，料液比为1:1；球磨好的物料加入聚酰亚胺陈腐后采用喷雾干燥制粒，然后过40目筛，粉料的含水率控制在0.7～1.0％；将过筛后的粉料加入脱模剂，混匀后压制成型，成型压力为0.5T/cm2；将压制得到的坯料修整加工，加工好的素坯真空烧结，升温速率为先10℃/min升温至600℃，保温1h，再10℃/min升温至最高烧结温度，最高烧成温度为2050℃，最高烧成温度下保温时间0.5h，然后随炉冷却；将烧结好的产品进行磨加工及抛光处理，检验合格后入库。实施例2本专利技术提供一种碳化硼复合材料的无压烧结制备方法，按照如下重量百分比配比称取制备原料：碳化硼94.9％，硼化铪1％，二氧化钛1％，石墨粉0.1％，聚乙烯醇树脂粘结剂2％，聚酰亚胺0.5％，焦磷酸钠分散剂0.5％；将上述原料中除了聚酰亚胺之外的物料装入球磨机中球磨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.碳化硼复合材料的无压烧结制备方法，其特征在于，制备步骤包括：/n(1)按配比称量制备原料，按照重量百分比计，制备原料为碳化硼83～94.9％，硼化铪1～6％，二氧化钛1～5％，碳0.1～6％，粘结剂2～20％，聚酰亚胺0.5～5％，分散剂0.5-2％；将除了聚酰亚胺之外的物料装入球磨机中球磨10-60h；球磨过程中球料比为5:1，料液比为1:1～2.5g/L；/n(2)球磨好的物料加入聚酰亚胺陈腐后采用喷雾干燥制粒，然后过40～60目筛，粉料的含水率控制在0.7～2.5％；/n(3)将过筛后的粉料加入脱模剂，混匀后备用；/n(4)将步骤(3)的混合料压制成型，成型压力为0.5～4T/cm

【技术特征摘要】
1.碳化硼复合材料的无压烧结制备方法，其特征在于，制备步骤包括：
(1)按配比称量制备原料，按照重量百分比计，制备原料为碳化硼83～94.9％，硼化铪1～6％，二氧化钛1～5％，碳0.1～6％，粘结剂2～20％，聚酰亚胺0.5～5％，分散剂0.5-2％；将除了聚酰亚胺之外的物料装入球磨机中球磨10-60h；球磨过程中球料比为5:1，料液比为1:1～2.5g/L；
(2)球磨好的物料加入聚酰亚胺陈腐后采用喷雾干燥制粒，然后过40～60目筛，粉料的含水率控制在0.7～2.5％；
(3)将过筛后的粉料加入脱模剂，混匀后备用；
(4)将步骤(3)的混合料压制成型，成型压力为0.5～4T/cm2；
(5)将步骤(4)得到的坯料修整加工，加工好的素坯真空烧结，最高烧成温度2050～2150℃，最高烧成温度下保温时间0.5～...

【专利技术属性】
技术研发人员：李少峰，李友宝，励永平，
申请(专利权)人：宁波东联密封件有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33