一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法，属于超硬陶瓷材料技术领域。本申请解决了现有过渡金属碳化物和硼化物之间具有较低的固溶度，很难制备得到过渡金属碳硼化物的问题。本发明专利技术采用高能球磨的方式，将过渡金属碳化物、硼化物制成复合粉体，然后采用放电等离子烧结或者热压烧结的方式制备得到超硬碳硼化物陶瓷烧结体。本方法利用高能球磨能够拓宽碳化物在硼化物中的固溶度极限，解决了过渡金属碳化物和硼化物之间具有较低的固溶度的问题，且球磨后的复合粉体之间的固溶强化作用使得烧结体强度和硬度得到明显提升；同时高能球磨使粉体粒径细化，可以有效地降低烧结温度。

Preparation of a single-phase carboboride solid solution ceramic material

【技术实现步骤摘要】
一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法
本专利技术涉及一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法，属于超硬陶瓷材料

技术介绍
超硬材料在磨料、切削刀具、耐磨涂层等方面有着广泛的应用。近年来开始研究的防弹装甲陶瓷对材料的硬度也有很高的要求。自然界已知最硬的材料是金刚石，但金刚石价格昂贵，且很难加工成复杂形状。常见的陶瓷材料中，立方氮化硼(c-BN)硬度最高，超过50GPa。碳化硼(B4C)及其复合材料也具有很高的硬度，一般能够超过30GPa。但是c-BN和B4C属于强共价键化合物，烧结过程中自扩散系数很低，材料难以烧结成型。此外，c-BN和B4C材料的韧性较差，一般低于3MPa·m1/2，限制了其应用。过渡金属硼化物(如TiB2，ZrB2，HfB2等)硬度低于c-BN和B4C，但也能达到20GPa以上。且单相硼化物中添加碳化物作为除氧剂可以降低材料烧结温度，促进致密化。但是TiB2，ZrB2，HfB2等硼化物晶体结构都呈六方结构，而过渡金属碳化物晶体结构为NaCl型面心立方结构，两者在通常情况下很难固溶形成单相的碳硼化物固溶体陶瓷材料。因此，提供一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有过渡金属碳化物和硼化物之间具有较低的固溶度，很难制备得到过渡金属碳硼化物的问题，提供一种超硬单相的碳硼化物四元固溶体陶瓷材料的制备方法。本专利技术的技术方案：一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法：步骤一，将含硼化物粉体和含碳化物粉体混合，并利用高能球磨机球磨，得到复合粉体；步骤二，将步骤一球磨后的复合粉体置于模具中烧结，得到单相碳硼化物固溶体陶瓷材料。优选的：所述的含硼化物为硼化钛、硼化锆、硼化铪、硼化铌、硼化坦、硼化钨或硼化钼。最优选的：所述的含碳化物为碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化铌、碳化坦、碳化钨或碳化钼。最优选的：所述的含硼化物中的金属元素与含碳化物中的金属元素为不同种类的金属元素。优选的：所述的复合粉体中含硼化物粉体的质量百分数为70％～99％，含碳化物粉体的质量百分数为1％～30％。优选的：所述的步骤一利用高能球磨机球磨的条件为：球料比为10～100:1，转速为400r/min～800r/min，球磨为5h～40h。优选的：所述的步骤二烧结为在放电等离子体炉中进行，烧结条件为：烧结温度1800℃～2300℃，保温时间5min～60min，烧结压力30MPa～80MPa，升温速率50℃/min～150℃/min。优选的：所述的步骤二烧结为在热压炉中进行，烧结条件为：烧结温度1800℃～2300℃，保温时间0.5h～10h，烧结压力30MPa～80MPa，升温速率10℃/min～40℃/min。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的方法采用高能球磨的方式，将过渡金属碳化物、硼化物制成复合粉体，然后采用放电等离子烧结或者热压烧结的方式制备得到超硬碳硼化物陶瓷烧结体。本方法采用高能球磨能够拓宽碳化物在硼化物中的固溶度极限，解决了过渡金属碳化物和硼化物之间具有较低的固溶度的问题，且球磨后的复合粉体之间的固溶强化作用使得烧结体强度和硬度得到明显提升；同时高能球磨使粉体粒径细化，可以有效地降低烧结温度。并通过严格控制放电等离子烧结炉或热压炉参数，最终获得超强、高硬的单相碳硼化物四元固溶体陶瓷材料。附图说明图1为具体实施方式1制备的陶瓷材料的XRD示意图；图2为具体实施方式1制备的陶瓷材料的表面SEM照片。具体实施方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。具体实施方式1：含硼化物为硼化钛，含碳化物为碳化锆(1)将硼化钛粉体和碳化锆粉体的按照质量比为85:15混合，利用高能球磨机球磨，球磨条件为：球料比10:1，球磨时间30h，转速500r/min，得到成分均匀颗粒细小的复合粉体；(2)将复合粉体置于模具中，在热压炉中进行烧结，烧结条件为：将热压炉内石墨加热体以速率为20℃/min升温到2000℃，保温烧结1h，烧结压力为30Mpa，烧结完成后，冷却脱模，获得单相碳硼化物固溶体陶瓷材料(i)。对单相碳硼化物固溶体陶瓷材料(i)进行XRD测试，测试结果如图1所示。由图1可知经过热压烧结之后，材料具有与硼化钛相近的衍射峰形，只是角度向低角偏移，碳化锆的衍射峰消失，表明形成了单相固溶体。对单相碳硼化物固溶体陶瓷材料(i)的表面进行进行SEM测试，测试结果如图2所示。由图2可知材料由基体相和黑色杂相组成，基体为单相固溶体，黑色相为石墨炉气氛引起的残碳相，材料组织均匀。对单相碳硼化物固溶体陶瓷材料(i)进行力学性能表征，结果表面，室温下该材料的硬度为35±1.3GPa，三点弯曲强度为610±23MPa，弹性模量为510GPa，断裂韧性为4.82MPa·m1/2。并且单相碳硼化物固溶体陶瓷材料(i)的密度为4.63g·cm3。具体实施方式2：含硼化物为硼化钛，含碳化物为碳化锆(1)将硼化钛粉体和碳化锆粉体的按照质量比为90:10混合，利用高能球磨机球磨，球磨条件为：球料比10:1，球磨时间30h，转速500r/min，得到成分均匀颗粒细小的复合粉体；(2)将复合粉体置于模具中，在热压炉中进行烧结，烧结条件为：将热压炉内石墨加热体以速率为20℃/min升温到2000℃，保温烧结1h，烧结压力为30Mpa，烧结完成后，冷却脱模，获得单相碳硼化物固溶体陶瓷材料(ii)。对单相碳硼化物固溶体陶瓷材料(ii)进行力学性能表征，结果表面，室温下该材料的硬度为33±1.5GPa，三点弯曲强度为572±64MPa，弹性模量为520GPa，断裂韧性为4.95MPa·m1/2。并且单相碳硼化物固溶体陶瓷材料(ii)的密度为4.46g·cm3。具体实施方式3：含硼化物为硼化钛，含碳化物为碳化锆(1)将硼化钛粉体和碳化锆粉体的按照质量比为95:5混合，利用高能球磨机球磨，球磨条件为：球料比10:1，球磨时间30h，转速500r/min，得到成分均匀颗粒细小的复合粉体；(2)将复合粉体置于模具中，在热压炉中进行烧结，烧结条件为：将热压炉内石墨加热体以速率为20℃/min升温到2000℃，保温烧结1h，烧结压力为30Mpa，烧结完成后，冷却脱模，获得单相碳硼化物固溶体陶瓷材料(iii)。对单相碳硼化物固溶体陶瓷材料(iii)进行力学性能表征，结果表面，室温下该材料的硬度为31±2.3GPa，三点弯曲强度为544±56MPa，弹性模量为525GPa，断裂韧性为4.54MPa·m1/2。并且单相碳硼化物固溶体陶瓷材料(iii)的密度为4.29g·cm3。具体实施方式4：含硼化物为硼化钛，含碳化物为碳化铌(1)将硼化钛粉体和碳化铌粉体的按照质量比为85:15混合，利用高能球磨机球磨，球磨条件为球料比20:1，球磨时间20h，转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法，其特征在于：该方法的操作步骤如下：/n步骤一，将含硼化物粉体和含碳化物粉体混合后，球磨，得到复合粉体；/n步骤二，将步骤一球磨后的复合粉体置于模具中烧结，得到单相碳硼化物固溶体陶瓷材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法，其特征在于：该方法的操作步骤如下：
步骤一，将含硼化物粉体和含碳化物粉体混合后，球磨，得到复合粉体；
步骤二，将步骤一球磨后的复合粉体置于模具中烧结，得到单相碳硼化物固溶体陶瓷材料。


2.根据权利要求1所述的单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的含硼化物为硼化钛、硼化锆、硼化铪、硼化铌、硼化坦、硼化钨或硼化钼。


3.根据权利要求2所述的单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的含碳化物为碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化铌、碳化坦、碳化钨或碳化钼。


4.根据权利要求3所述的单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的含硼化物中的金属元素与含碳化物中的金属元素为不同种类的金属元素。


5.根据权利要求1所述的单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的复合粉体中含硼化物粉体的质量百分数为70％～99％，余量为含碳化物粉体。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉金，霍思嘉，陈磊，刘鑫睿，陈倩倩，周玉，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23