层状氮化硼晶界相增韧的闪锌矿氮化硼陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种层状氮化硼晶界相增韧的闪锌矿氮化硼陶瓷及其制备方法。该陶瓷体包括两种典型组织结构：一种是当层状BN晶界相分布于闪锌矿氮化硼晶粒周围时，材料的硬度达到20～40GPa，断裂韧性达到6～9MPa

Layered boron nitride grain boundary phase toughened sphalerite boron nitride ceramics and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
层状氮化硼晶界相增韧的闪锌矿氮化硼陶瓷及其制备方法


[0001]本专利技术属于无机非金属材料领域，涉及一种氮化硼陶瓷及其制备方法。

技术介绍

[0002]众所周知，闪锌矿氮化硼(cBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料。而且闪锌矿氮化硼具有金刚石无法比拟的一些优良特性，例如更高的热稳定性和对铁族金属及其合金的化学惰性。因此，闪锌矿氮化硼作为工程材料已经广泛应用于黑色金属及其合金材料加工工业。同时，它又以其优异的热学、电学、光学和声学等性能，在一系列高科技领域得到应用，成为一种具有发展前景的功能材料。
[0003]闪锌矿氮化硼单晶因为其合成尺寸受限、存在解离面且断裂韧性低(2.8MPa
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)，严重限制了其在工业中的应用。所以发展各向同性、高硬、高韧的聚晶闪锌矿氮化硼(PcBN)块材成为科学和工业界主要的研究目标。
[0004]为了获得各向同性的PcBN陶瓷，适宜的粘结剂几乎总是必要的。目前PcBN合成的常用粘结剂主要分为三大类：1)陶瓷粘结剂，主要有氮化物、碳化物、硅化物等；2)金属粘结剂，由金属或合金组成(如铝、钛、钴、镍等)；3)金属陶瓷粘结剂，由陶瓷与金属或金属合金按一定配比组成。烧结时，通常会产生与粘结剂相关的晶界相，闪锌矿氮化硼晶粒夹嵌在晶界相的基质中，从而形成致密的各向同性的陶瓷体。不利的是，这类晶界相的存在大大影响了硼、氮原子间的直接键合，从而会严重降低样品的硬度、热稳定性、耐磨性等性能。而且，PcBN中的粘结剂作为加工过程中的潜在污染源之一，在研磨和切削等使用过程中，会造成工件一定程度的污染从而严重影响工件的性能。
[0005]因此，业界非常需要新型的具有各向同性的氮化硼材料以及对环境友好的其制造方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的一个目的是提供一种各向同性的、同时具有高硬度和高韧性的闪锌矿氮化硼陶瓷材料。
[0007]本专利技术的另一个目的是提供一种各向同性的氮化硼陶瓷材料的制造方法，其可以避免使用对环境不友好的粘结剂等材料。
[0008]因此，本专利技术的第一方面的技术方案是一种闪锌矿氮化硼陶瓷材料，其由作为主相的闪锌矿氮化硼晶粒和分布于闪锌矿氮化硼晶粒周围的层状氮化硼晶界相组成，其中，闪锌矿氮化硼晶粒具有sp3杂化结构，层状氮化硼晶界相具有sp2杂化结构。目前还没有相关专利和文献报道过层状氮化硼晶界相增韧的闪锌矿氮化硼陶瓷。
[0009]由于闪锌矿氮化硼主相与层状BN晶界相是共生关系，所以获得的闪锌矿氮化硼陶瓷体不仅是全BN材料(材料整体都是硼
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氮直接键合)，还能同时保证硬度、热稳定性、耐磨性等不降低的前提下提高其断裂韧性，解决目前PcBN领域极为关键的问题；另外此类材料还未见有专利文献或非专利文献的报道。
[0010]考虑到sp2结构的层状BN可以与sp3结构的闪锌矿氮化硼相在一定的温度压力条件下互相转化，与石墨与金刚石之间的互相转化过程类似；因此，本专利技术的闪锌矿氮化硼陶瓷材料可以利用BN材料自身的这种结构相变机制，以sp2杂化的氮化硼或sp3杂化的氮化硼为原料进行制备。
[0011]因此本专利技术的第二方面的技术方案是一种闪锌矿氮化硼陶瓷材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
[0012](1)提供纯净的氮化硼粉体原料或块体原料；
[0013](2)通过在真空下加热对所述纯净的氮化硼粉体或块体原料进行净化处理；
[0014](3)对净化后的氮化硼块体原料进行高温烧结处理，或者将净化后的氮化硼粉体原料预制成坯再对预制坯进行高温烧结处理，从而形成所述闪锌矿氮化硼陶瓷材料，其中所述高温烧结处理优选在高压下进行。
[0015]由该方法可以得到自生层状BN晶界相增韧闪锌矿氮化硼陶瓷材料，该陶瓷材料含有闪锌矿氮化硼组织为主相，并且进一步含有分布于晶界的层状BN的晶界相，即根据本专利技术的第一方面的闪锌矿氮化硼陶瓷材料。因为该制备方法中不使用额外的粘结剂，所以对环境是友好的，而且所得到的材料是全BN材料，因此也避免了材料的进一步加工过程中的工件污染问题，而且还保证了材料的高硬度、高热稳定性、高耐磨性和高断裂韧性。
具体实施方式
[0016]本专利技术的第一方面的技术方案是一种闪锌矿氮化硼陶瓷材料，其由作为主相的闪锌矿氮化硼晶粒和分布于闪锌矿氮化硼晶粒周围的层状氮化硼晶界相组成，其中，闪锌矿氮化硼晶粒具有sp3杂化结构，层状氮化硼晶界相具有sp2杂化结构。这种闪锌矿氮化硼也可以被称为“层状氮化硼晶界相增韧的闪锌矿氮化硼”。
[0017]在本申请中，除非另有指明或定义，所有的术语应被解释为具有按照本领域技术人员所通常理解的含义。为了清楚起见，以下术语应该按照本文的定义进行解释和理解。
[0018]就本专利技术的目标而言，“全BN材料”或“全氮化硼材料”指的是化学组分只含有B和N，而不含任何其它化学元素。本领域技术人员可以理解，“全BN材料”并不排除原料本身中存在的或加工过程中非有意引入的不可避免的痕量杂质。就本专利技术目的而言“全BN材料”意指B和N元素的质量占材料总质量的至少97％，优选至少98％，更优选至少99％，最优选至少99.9％或接近100％。
[0019]“层状BN”或“层状氮化硼”(“Layered
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BN”)指的是材料微观结构(经透射电子显微镜观察到的结构)呈有序或无序的、类石墨的sp2杂化BN结构。本领域技术人员可以理解，“层状BN”主要由sp2结构的碳构成，但是不排除其含有少量的(例如少于10％、5％、3％、2％、1％、0.5％或0.3％等)作为杂质的sp3BN或甚至其他元素。
[0020]在本申请中，“增韧”一般被理解为经增韧后的材料的断裂韧性至少是6MPa
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。本申请的闪锌矿氮化硼陶瓷材料“由作为主相的闪锌矿氮化硼晶粒和分布于闪锌矿氮化硼晶粒周围的层状氮化硼晶界相组成”是就其微观结构而言的。本领域技术人员了解有多种技术手段可以获取材料的微观结构信息。例如，当闪锌矿氮化硼晶粒的晶粒尺寸在1μm及以上时候，通过经抛光的材料样品表面的XRD和/或SEM图像就可以直观判断闪锌矿氮化硼晶粒之间是否存在层状氮化硼晶界相。当闪锌矿氮化硼晶粒的晶粒尺寸在1μm以下时候，通常
可以利用TEM电镜的SAED(选区电子衍射)和HRTEM(高分辨率透射电镜)来检测材料的样品中闪锌矿氮化硼晶粒之间是否存在层状氮化硼晶界相。为了准确表征，对于TEM检测，优选分析材料内部样品；另外，为了避免样品中可能存在的少量污染物的干扰，可以随机取多个(例如3个以上)样品点进行分析。
[0021]本专利技术的闪锌矿氮化硼陶瓷材料以闪锌矿氮化硼为主相，以层状氮化硼为晶界相。具体地，闪锌矿氮化硼主相的体积含量为至少50％，例如至少55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％等，但是一般不会多于99％；层状氮化硼晶界相的体积含量为至多50％，例如至多45本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种闪锌矿氮化硼陶瓷材料，其由作为主相的闪锌矿氮化硼晶粒和弥散分布于闪锌矿氮化硼晶粒周围的层状氮化硼晶界相组成，其中，闪锌矿氮化硼晶粒具有sp3杂化结构，层状氮化硼晶界相具有sp2杂化结构。2.如权利要求1所述的闪锌矿氮化硼陶瓷材料，其中，所述闪锌矿氮化硼晶粒的体积含量为50％～99％(优选地70％～96％或80％～95％)，所述层状氮化硼晶界的体积含量为1％～50％(优选地4％～30％或5％～20％)。3.如权利要求1或2所述的闪锌矿氮化硼陶瓷材料，其维氏硬度大于20GPa，断裂韧性大于6MPa
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。4.如权利要求1或2所述闪锌矿氮化硼陶瓷材料，其中，所述闪锌矿氮化硼主相的体积含量为50％～98％，所述层状碳晶界相的体积含量2％～50％，且所述层状氮化硼晶界相基本均匀地分布于闪锌矿氮化硼晶粒周围，其维氏硬度大于20GPa，断裂韧性大于6MPa
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。5.如权利要求1或2所述闪锌矿氮化硼陶瓷材料，其中，所述闪锌矿氮化硼主相的体积含量为至少90％，所述层状氮化硼晶界相的体积含量至多10％，且所述层状氮化硼晶界相仅分布于闪锌矿氮化硼晶界交汇处，其维氏硬度大于40GPa，断裂韧性大于9MPa
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。6.如权利要求1或2所述闪锌矿氮化硼陶瓷材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵智胜，孙磊，罗坤，陈俊云，刘兵，何巨龙，于栋利，柳忠元，胡文涛，徐波，田永君，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：