一种梯度层状B4C-TiB2/Al复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提出了一种梯度层状B4C

【技术实现步骤摘要】
一种梯度层状B4C
‑
TiB2/Al复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及新材料
，具体涉及一种梯度层状B4C
‑
TiB2/Al复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳化硼密度小(2.52g/cm3)、硬度高(仅次于金刚石和立方氮化硼)、熔点高(约2450℃分解)、膨胀系数小(4.5
×
10
‑6/K)且具有优异的中子吸收能力，但碳化硼陶瓷有几处短板：(1)碳化硼晶体结构中大约存在93％的共价键结合，自扩散系数很低，因此纯碳化硼陶瓷烧结致密化十分困难；(2)纯碳化硼陶瓷断裂韧性极低，K
IC
＜2.2MPa
·
m
1/2
；(3)碳化硼陶瓷易与部分金属发生化学反应，生成大量有害反应产物相，致使材料的综合性能急剧下降。为了提高碳化硼陶瓷的韧性，并保留其轻质的特点，选用轻质金属(如铝)与其复合以制备低密度与高强韧性兼备的B4C/Al复合材料具有非常重要的意义。
[0003]传统的B4C/Al复合材料多为均匀复合、弥散强化，这在很大程度上限制了组元之间协同耦合效应的发挥和对环境与功能的积极响应，无法解决强韧性失配等关键难题。大自然为高性能复合材料的设计和制造提供了丰富的灵感。骨骼、竹子和牙齿等材料具有表层坚硬耐磨、内部柔韧和整体质轻的优异性能。研究发现：这类天然材料的化学组成和组织结构在空间上往往呈现梯度变化，同时材料中存在多种平滑过渡的梯度界面。在不同的位置分别强化它们的抗损伤和能量吸收能力，然后通过这种梯度设计将不同位置的力学性能优势良好地结合起来，因而梯度材料具有优异的整体性能。但是，由于B4C和Al熔体密度接近，传统离心铸造难以实现对材料组分的精准调控而构造出B4C/Al梯度层状复合材料。
[0004]冰模板，也称为冷冻铸造，为制备层状结构提供了一种有效手段。在悬浮液的定向冷冻过程中，生长的冰晶排斥并集中了相邻晶体之间的颗粒和添加剂，这允许在冰升华后在支架中构建层状结构。随后通过真空干燥和高温烧结获得具有一定强度的层状陶瓷坯体。在高温高压下将熔融的金属液浸渗到多孔坯体中的孔隙中作为延性相，就可以制备出层状陶瓷/金属复合材料。然而，目前该技术主要用于制备均质层状结构材料。
[0005]专利号CN103895285A，专利技术名称为“高强度层状Al基金属陶瓷复合材料及其制备方法”中公开了高强度层状Al基金属陶瓷复合材料的制备方法：采用冷冻铸造和无压浸渗相结合的工艺制备了微米级层状金属
‑
陶瓷复合材料，虽在一定程度上模仿了贝壳的层状结构，但其组分和密度均一，因而性能也比较单一，无法达到不同部位对性能的选择要求。在工程实际中，许多零部件的不同位置(如外层和心部)对性能(如强度和韧性)的要求是不同的，如磨盘或磨轮，它只需要与物体接触的外表面需要良好的硬度和耐磨性，而心部却要求良好的塑韧性以方便加工和配合。完全均一的组分和结构不仅使复合材料整体塑韧性大大降低、加工难度增大、成本提高，并且在很大程度上不利于组元协同效应的发挥和对环境与功能的积极响应。
[0006]专利号CN102094132A，专利技术名称为“B4C
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Al复合材料制备方法”公开了一种B4C
‑
Al复合材料制备方法：采用高能球磨方式将碳化硼粉末与铝合金粉末混合均匀并压制成型，
然后在一定温度下进行烧结，最终将烧结坯在一定温度下进行挤压或热轧,获得B4C
‑
Al复合材料。该工艺可以容易地实现B4C与Al的复合而发挥各组元的特性，但它整体上为均一结构，并无梯度特征，只是在陶瓷和金属界面处存在成分骤变；另外，由于轧制过程中存在加工硬化等问题，复合材料中B4C的体积分数较低；制造工序繁多，工艺复杂且需要专门的设备，生产成本高。
[0007]专利号CN101001968A，专利技术名称为“用于Al
‑
B4C复合材料的改进的再循环方法”公开了一种含B4C的铸造铝复合材料产品的制备方法：将热废弃材料加入到熔化的铝的液体池以形成合成的复合材料熔体并搅拌均匀，将自由流动的B4C颗粒加入到复合材料熔体中形成混合物,并搅拌混合物让Al润湿B4C颗粒，最终把混合物铸造成复合材料，同时实现了废弃材料的再利用。然而，在Al熔点温度(660℃)附近，由于B4C(2.52g/cm3)和Al熔体(2.4
‑
2.5g/cm3)密度差异极小，该工艺难以将两种组元分离，无法实现梯度材料的制备；而且，B4C和Al的润湿性差，通过搅拌很难使B4C颗粒充分分布在金属液中；为了改善润湿性，需要把温度提高到1100℃以上，但是高温下B4C颗粒会与Al发生严重的化学反应，生成的Al4C3反应产物不仅会增加液态金属的粘度，而且会直接恶化复合材料的机械性能。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提出一种梯度层状B4C
‑
TiB2/Al复合材料及其制备方法，解决了单一碳化硼陶瓷烧结温度高、B4C/Al界面反应剧烈和低温下润湿性差以及传统B4C/Al复合材料致密度低和力学性能差等问题。本专利技术材料的局部特性适应其特定需求，从而在单一材料内产生多种性能优势(表面具有高的耐磨性、疲劳强度和抗弯强度，心部具有高的塑韧性和一定的强度而便于机械加工)，进而改善其整体性能。此外，本专利技术以B4C
‑
TiB2/Al复合材料为例，提供了一种适用于众多材料体系的梯度层状结构复合材料的制备方法。
[0009]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0010]本专利技术提供一种梯度层状B4C
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TiB2/Al复合材料，整体为实心圆柱形，在径向金属与陶瓷呈连续梯度分布，在轴向呈层状相间分布。其外围部分B4C
‑
TiB2陶瓷相所占的体积分数为95～60vol％，从外向内依次减少，金属相所占的体积分数为5～40vol％，从外向内依次增多；心部B4C
‑
TiB2陶瓷相所占的体积分数为20～0vol％，金属相所占的体积分数为80～100vol％；由外层至中心层，陶瓷层的厚度由100～50μm逐渐过渡到10～0μm；金属层的厚度由5～10μm逐渐过渡到200～300μm。其中陶瓷层中B4C为外加颗粒，TiB2为原位内生。两者比例受原始粉体中B4C与TiO2含量控制。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，内心部分为纯铝或铝合金或含有不超过20vol％陶瓷体积分数的Al/B4C
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TiB2复合材料。
[0012]本专利技术进一步保护一种上述梯度层状B4C
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TiB2/Al复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0013](1)配制由去离子水、陶瓷粉体、分散剂、粘结剂混合而成的水基陶瓷浆料；上述水基粉体浆料经球磨后真空除泡；
[0014]其中，所述陶瓷粉体包括B4C粉体和TiO2粉体，所述水基粉体浆料中B4C+TiO2体积分数为10...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度层状B4C
‑
TiB2/Al复合材料，其特征在于，整体为实心圆柱形，在径向金属与陶瓷呈连续梯度分布，在轴向呈层状相间分布，外围部分B4C
‑
TiB2陶瓷相所占的体积分数为95～60vol％，且从外向内梯度减少，金属相所占的体积分数为5～40vol％，且从外向内梯度增加；心部B4C
‑
TiB2陶瓷相所占的体积分数为20～0vol％，金属相所占的体积分数为80～100vol％；由外围至心部，陶瓷层的厚度由100～50μm逐渐过渡到10～0μm；金属层的厚度由5～10μm逐渐过渡到200～300μm。2.根据权利要求1所述梯度层状B4C
‑
TiB2/Al复合材料，其特征在于，所述心部为纯铝或铝合金或含有不超过20vol％陶瓷体积分数的Al/B4C
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TiB2复合材料。3.一种如权利要求1或2所述梯度层状B4C
‑
TiB2/Al复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)配制由去离子水、陶瓷粉体、分散剂、粘结剂混合而成的水基陶瓷浆料；上述水基粉体浆料经球磨后真空除泡；其中，所述陶瓷粉体包括B4C粉体和TiO2粉体，所述水基粉体浆料中B4C+TiO2体积分数为10
‑
40％，所述TiO2粉体占B4C粉体质量分数的10
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50％，所述分散剂占陶瓷粉体质量3
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6％，所述粘结剂占陶瓷粉体质量2
‑
5％；(2)将浆料注满尼龙或聚四氟乙烯模具，封闭两端，在室温下离心旋转，然后在模具旋转的同时将底部铝杆浸入液氮池或其它冷冻媒介中，保持一段时间后得到冷冻坯体；(3)冷冻坯体经过真空冷冻干燥和高温反应烧结后，得到多孔B4C
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TiB2陶瓷骨架；(4)将液态金属在真空
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压力条件下注入B4C
‑
TiB2陶瓷骨架的孔隙中，得到梯度层状B4C
‑
TiB2/Al复合材料。4.根据权利要求3所述梯度层状B4C
‑
TiB2/Al复合材料的制备方法，其特征在于，所述TiO2粉体为金红石结构；所述分散剂为羧甲基纤维素钠；所述粘结剂为聚乙烯醇。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈平，王传增，杨立凯，郭瑞芬，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：