一种抗非晶化且高硬度、高韧性碳化硼复相陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术涉及非氧化物结构陶瓷的技术领域，具体涉及一种抗非晶化且高硬度、高韧性碳化硼复相陶瓷的制备方法，采用市售的Ti3SiC2、Ti3(SiAl)C2或Ti3SiC2‑

【技术实现步骤摘要】
[0008](2)；
[0009]Ti3SiC2+y TiC+(x+6y+10)B＝(3+y)TiB2+(1+0.25x+y)B4C+(1
‑
0.25x)SiC+0.25x Si
[0010](3)；
[0011]其中，所述参数x的取值范围为：0≤x；所述参数y为任意值，将原料粉体混料、干燥、过筛后进行热压烧结或放电等离子体烧结，得到所需复相陶瓷。
[0012]优选地，所述参数x的取值范围为：0≤x≤4；所述参数y为任意值。
[0013]名义上，所述参数x的取值范围为：0≤x≤4；所述参数y为任意值。事实上，随着硼的进一步加入(x>4)，更多的硼也可以固溶进碳化硼的晶格中，形成富硼碳化硼，例如：B
6.5
C。同时，分解产生的硅也更倾向于固溶在富硼碳化硼中。
[0014]将原料粉体混料、干燥、过筛后利用热压烧结或放电等离子体实现其致密化，得到所需复相陶瓷。通过改变加入的硼含量，可以在一定范围内改变所制备陶瓷中碳化硼的含量和微结构并对其性能进行调控。
[0015]优选地，包括如下步骤：
[0016]步骤1、混料：以市售Ti3SiC2，Ti3(SiAl)C2或Ti3SiC2‑
TiC和B粉为原料，将各种原料粉体按设计的反应方程的配比进行称量，配料；
[0017]步骤2、烧结：将粉体在热压烧结或放电等离子体烧结的环境下进行烧结，得到所需复相陶瓷。
[0018]通过改变烧结温度保温时间，加载压力，升温速度等参数实现复相陶瓷的致密化和性能优化。
[0019]优选地，所述步骤1中，配料后将原料进行球磨，将球磨得到的浆料干燥后得到烧结所用原料粉体。
[0020]优选地，所述步骤1中，各原料粉体的平均粒径均小于10μm，粉体的纯度均大于95％。
[0021]优选地，所述步骤2中，烧结环境为真空或流动的氩气气氛。
[0022]优选地，所述步骤2中，烧结温度为1500℃
‑
2000℃。
[0023]优选地，所述步骤2中，烧结保温时间为5
‑
120min。
[0024]优选地，所述步骤2中，烧结压力为5
‑
75Mpa。
[0025]优选地，所述步骤2中，烧结升温速度为10
‑
300℃/min。
[0026]本专利技术的方法利用含硅化合物钛三硅碳二(Ti3SiC2)，Ti3(SiAl)C2或Ti3SiC2‑
TiC为反应烧结的原料，通过其与单质硼的原位硼化过程逐步反应生成TiB2、SiC和B4C晶粒，可缓解烧结中引发的自蔓延现象。原位生成亚微米尺度的TiB2或SiC晶粒相互贯通提高了碳化硼材料的硬度和韧性。另一方面，通过调节硼含量，将生成的SiC晶粒进一步分解形成多组元物相，例如：硅和富硼碳化硼。分解产生的硅也能固溶进入富硼碳化硼的晶格中，从而缓解并抑制碳化硼的非晶化。利用此方法获得的B4C复相陶瓷具有晶粒细化、多层次的物相分布等诸多特征，因而在具有抗非晶化特性的同时，仍具有优异的力学性能。
[0027]本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0028]1、利用含硅化合物作为反应烧结原料，可以获得Si固溶的B4C复相陶瓷。最终获得的复相陶瓷拥有抵抗非晶化的能力，同时也具有高的强度、硬度和断裂韧性；
[0029]2、原料方便易得，制备工艺成熟，周期短，有利于降低材料制备过程所需的能耗，获得的陶瓷致密度高；
[0030]3、原位生成的亚微米级TiB2或SiC晶粒互相贯通，在陶瓷微结构中形成硬质的骨架提高了复相陶瓷的硬度和韧性。原位生成的碳化硼固溶有硅，也提高了复相陶瓷抵抗非晶化的能力；
[0031]4、不需要额外添加单质Si，通过改变B中的x值即可以调节Si在B4C复相陶瓷中的固溶量，从而调整材料的变形机制，进而原位调控其显微结构和力学性能。
附图说明
[0032]图1为实施例2得到样品的显微形貌；
[0033]图2为实施例2得到样品的XRD；
[0034]图3为实施例2得到样品的拉曼图谱：(a)原始基体；(b)压痕底部；
[0035]图4为实施例3得到样品的显微形貌；
[0036]图5为实施例3得到样品的XRD；
[0037]图6为实施例3得到样品的拉曼图谱：(a)原始基体；(b)压痕底部；
[0038]图7为实施例4得到样品的显微形貌；
[0039]图8为实施例4得到样品的XRD；
[0040]图9为实施例4得到样品的拉曼图谱：(a)原始基体；(b)压痕底部。
具体实施方式
[0041]为更好的理解本专利技术，下面的实施例是对本专利技术的进一步说明，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0042]实施例1
[0043]以Ti3SiC2(粒径为1
‑
10μm)和硼粉(粒径为0.1
‑
5μm)为原料，按照方程式(4)进行配料
[0044]Ti3SiC
2 + 11 B ＝ 3 TiB
2 + 1.25 B4C + 0.75 SiC + 0.25 Si
ꢀꢀꢀ
(4)
[0045]获得样品相组成(体积含量)为56％TiB2‑
28％B4C
‑
16％SiC。
[0046]以乙醇(纯度>99％)为溶剂，氧化锆球为混料介质，将称量好的粉体混合并利用混料机进行混料，混料速度为30
‑
100rpm。混合12
‑
36小时后，将所得浆料通过真空旋转蒸发的方式在60
‑
85℃烘干。经过烘干后的粉体破碎并过筛后倒入石墨模具中，利用放电等离子体烧结设备的对其进行压力烧结，整个过程在真空下进行。
[0047]烧结过程包含如下步骤：室温至450℃，升温速度为100℃/min，施加在样品上的压力为5MPa。从450℃至1600℃，升温速度为100℃/min，压力为5MPa。随后2min内将压力升至60MPa。在1600℃保温5min后，将压力降低至5MPa并停止加热，样品随炉冷却至室温。
[0048]相比于纯碳化硼，所得样品的非晶化程度下降了18％。复相陶瓷维氏硬度为30
‑
40GPa，杨氏模量为470GPa，剪切模量为204GPa，压缩强度为1.8GPa，三点弯曲强度为580MPa，断裂韧性为5
‑
6MPa m
0.5
。
[0049]实施例2
[0050]以Ti3SiC2(粒径为1
‑
10μm)和硼粉(粒径为0.1
‑
5μm)为原料，按照方程式(4)进行配
料
[0051]Ti3SiC
2 + 11 B ＝ 3 TiB
2 + 1.25 B4C + 0.75 SiC + 0.25 Si
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗非晶化且高硬度、高韧性碳化硼复相陶瓷的制备方法，其特征在于：采用市售的Ti3SiC2、Ti3(SiAl)C2或Ti3SiC2‑
TiC和B粉体为原料，根据下列化学反应方程式(1)～(3)中的任一项进行粉体的配比：Ti3SiC
2 + (x+10) B＝3 TiB
2 + (1+0.25x) B4C + (1
‑
0.25x) SiC + 0.25x Si
ꢀꢀ
(1)；Ti3(SiAl)C2+(x+9)B+0.5B2O3＝3TiB2+(1+0.25x)B4C+(1
‑
0.25x)SiC+0.25x Si+0.5Al2O3(2)；Ti3SiC2+y TiC+(x+6y+10)B＝(3+y)TiB2+(1+0.25x+y)B4C+(1
‑
0.25x)SiC+0.25x Si(3)；其中，所述参数x的取值范围为：0≤x；所述参数y为任意值，将原料粉体混料、干燥、过筛后进行热压烧结或放电等离子体烧结，得到所需复相陶瓷。2.根据权利要求1所述的抗非晶化且高硬度、高韧性碳化硼复相陶瓷的制备方法，其特征在于：所述参数x的取值范围为：0≤x≤4；所述参数y为任意值。3.根据权利要求1所述的抗非晶化且高硬度、高韧性碳化硼复相陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、混料：以市售Ti3SiC2，Ti3(SiAl)C2或Ti3SiC2‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹冀，熊振刚，刘晶晶，王为民，傅正义，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：