專利名稱：一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Ti-AVB4C材料及其制備方法，尤其是一種用于海洋的含有碳化硼、Ti-Al金屬間化合物、硼化物和納米碳管的Ti-AVB4C材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有海洋工程使用的材料主要為鋼材、鋁合金等金屬材料，通過表面噴涂防腐、 防污涂料和防微生物附著的涂料后使用，如E. Aragon, J. Woillez, C. Perice, F. Tabaries and Μ. Sitz, Development of novel multilayer materials for impact applications. Materials and Design, 30 (2009), pp. 1548 - 1555.)。對于深海探測仍然是基于現(xiàn)有金屬材料對其結(jié)構(gòu)進行改進，國內(nèi)外尚未見報道針對海洋環(huán)境而設(shè)計和制備的新型陶瓷/金屬間化合物復(fù)合材料。
陶瓷材料的固有優(yōu)點是強度大、硬度高、耐腐蝕性能優(yōu)、密度小，但其韌性較差， 所以輕型高強陶瓷深海探測材料主要是在陶瓷內(nèi)外表面加裝防護層或由多層不同材料復(fù)合構(gòu)成。在多層復(fù)合結(jié)構(gòu)中，外層陶瓷抵御海底熱流沖擊的能力很強，在海流高速沖擊下的強度是鋼的10倍，內(nèi)層陶瓷還可使熱流偏轉(zhuǎn)或分散，從而大大減少破壞程度。碳化硼陶瓷(B4C)作為低密度高強度的陶瓷材料，在海洋材料中顯的尤為重要，然而其致密化燒結(jié)一直是個難題，在高溫、高壓條件下才能獲得致密的純陶瓷[Mehri Mashhadi etal, "Effect of Al addition on Pressureless sintering of B4C", Ceramics International, 2009, 35，831-837;]。Ti-Al有序金屬間化合物由于其原子的長程有序排列以及金屬鍵和共價鍵的共存性，在力學(xué)性能上填補了陶瓷和金屬之間的材料空白區(qū)域，具有優(yōu)異的抗氧化性、抗硫化腐蝕性和較高的高溫強度，較小的密度，較高的比強度。 與其它金屬相比，作為B4C陶瓷的粘結(jié)相具有更為突出的優(yōu)點。但Ti-Al金屬間化合物與B4C陶瓷的潤濕性及對于B4C與Ti-Al金屬間化合物的界面反應(yīng)的控制尚不成熟，阻礙了該類復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用。國內(nèi)外研究學(xué)者針對Ti-Al-C、Ti-Al-B, Al-B4C, Ti-B4C, Ti-Al-B4C體系進行了研究，并通過熔煉的方法制備了鋁基和鈦基的復(fù)合材料(A. I. Gusev, "Phase equilibria in the ternary system titanium-boron-carbon: the sections TiCy-TiB2 and B4Cy-TiB2, Journal of Solid state Chemistry, 1997， 133，205-210； H. Y. Wang etal, “Effect of Al content on the self-propagating high-temperature synthesis reaction of Al-Ti-C system in molten magnesium”， Journal of Alloy and Compounds, 2004， 366， L9-L12； Binglin Zhou etal, "Dependence of the SHS reaction behavior and product on B4C particle size in Al_Ti_B4C and Al-Ti02-B4C system” Materials Research Bulletin, 2009, 44-3, 499-504; Ping Shen etal, “Reaction mechanism in self-propagating high temperature synthesis of TiC_TiB2/Al composites from an Al-Ti_B4C system, Materials and Engineering A，2007，454，300-309;)。但是在熔煉制備過程中，由于金屬Al與B4C中游離C的結(jié)合而形成的極易水解的Al4C3，這極大地阻礙了該類復(fù)合材料的制備與應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提高Ti-Al金屬間化合物與B4C陶瓷的潤濕性，并有效控制B4C與Ti-Al金屬間化合物的界面反應(yīng)，遏制Al4C3的生成，目的是提供一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料及其制備方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的措施是一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明所提供的一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料，其組成及其含量按重量份為 碳化硼粉體6(Γ90份，Ti-Al金屬間化合物1(Γ40份，硼化物廣5份，納米碳管0. Γθ. 3份。
在上述材料的構(gòu)成方案中，所述的碳化硼粉體的純度>97%，粒度在3. 5 μ m以下； 所述的Ti-Al金屬間化合物是α 2-Ti3Al和γ -TiAl中的一種，并通過機械合金化+退火處理得到；所述的硼化物是硼酸、硼砂和金屬硼中的一種；所述的納米碳管為多壁碳管，其長度為 5(T200nm。
本發(fā)明所提供的一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料的制備方法，該方法是將組成及其含量按重量份為碳化硼粉體6(Γ90份，Ti-Al金屬間化合物1(Γ40份，硼化物廣5份和納米碳管0.廣0.3份，以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合，真空條件下烘干，制得混合粉末； 再將制得混合粉末加入到石墨模具中，進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為168(Tl9(KrC，壓力為 2(T30MPa，保溫3(Γ60分鐘，自然冷卻，制得鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料。
在上述材料制備方法的構(gòu)成方案中，所述的Ti-Al金屬間化合物是由機械合金化 +退火處理制備，制備方法按重量份的步驟如下(1)將鈦粉6Γ78份、Al粉2廣36份、硬脂酸廣5份，在球磨機粉磨混合20小時，制得 Ti-Al金屬間化合物非晶體，冷卻48小時；(2)將上述步驟(1)冷卻后的粉體在800°C進行真空熱爆處理，制得Ti-Al金屬間化合物塊體；(3)將上述步驟(2)制得Ti-Al金屬間化合物塊體，球磨至1200目，即得到Ti-Al金屬間化合物。
本發(fā)明所提供的一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料及其制備方法，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，引進Ti-Al金屬間化合物對碳化硼陶瓷進行強化活化燒結(jié)，降低了燒結(jié)溫度，通過機械合金化制備Ti-Al系金屬間化合物，利用金屬間化合物作為粘結(jié)相采用熱壓燒結(jié)對B4C 陶瓷進行活化強化燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)，由原位生成的TW2、TiC等作為彌散相，提高了 Ti-Al 金屬間化合物與B4C陶瓷的潤濕性，并有效地控制了 B4C與Ti-Al金屬間化合物的界面反應(yīng)，避免了 Al4C3的生成，使其增韌補強制備B4C陶瓷基復(fù)合材料，而且制備成本低、工藝簡單、利于規(guī)模化生產(chǎn)，具有低密度高強度耐腐蝕性好的優(yōu)點。
具體實施方式
下面對本發(fā)明的具體實施方式
做出進一步的說明實施本發(fā)明所提供的一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料，是針對海洋性氣候和環(huán)境特性，研究開發(fā)出的一種低密度、高強度、抗彈性優(yōu)的陶瓷基復(fù)合材料，主要應(yīng)用于海水中，這種陶瓷材料以密度較低的Ti-Al金屬間化合物作為燒結(jié)添加助劑和粘結(jié)相，與B4C陶瓷基體復(fù)合而成，通過對材料成分設(shè)計和活化燒結(jié)工藝實現(xiàn)高重復(fù)性、低成本制造輕質(zhì)高強陶瓷基材料，可用于深海探測裝備以及深海設(shè)施材料。
上述的一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料的組分及其含量按重量份為碳化硼粉體6(Γ90份，Ti-Al金屬間化合物1(Γ40份，硼化物廣5份，納米碳管0. Γθ. 3份。其中， 本發(fā)明所采用的碳化硼粉體是選用純度大于97%，粒度在3. 5μπι以下所制備的材料較佳； 所采用的硼化物選自硼酸、硼砂和金屬硼中的一種；所采用的納米碳管是多壁碳管，長度在 5(T200nm之間。在實施過程中，所采用的Ti-Al金屬間化合物是采用機械合金化+退火處理得到。
實施本發(fā)明所提供的一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料及其制備方法，該方法是引進Ti-Al金屬間化合物對碳化硼陶瓷進行強化活化燒結(jié)，降低燒結(jié)溫度，通過機械合金化制備Ti-Al系金屬間化合物，并利用金屬間化合物作為粘結(jié)相采用熱壓燒結(jié)對B4C陶瓷進行活化強化燒結(jié)和反應(yīng)燒結(jié)，由原位生成的Ti&、TiC等作為彌散相，增韌補強制備B4C陶瓷基復(fù)合材料。
上述的一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料的制備方法，其組成及其含量是重量份， 按下列步驟進行(1)將碳化硼6(Γ90份，Ti-Al金屬間化合物1(Γ40份，硼化物廣5份，納米碳管0.Γθ. 3 份，以無水乙醇為截介質(zhì)，球磨混合，真空條件下烘干，制備混合粉末；(2)將上述混合粉加入到石墨模具中，層與層之間用石墨墊片或石墨紙隔開，根據(jù)所需材料要求來定所需石墨模具尺寸，根據(jù)所需材料厚度來定混合粉的填裝量；(3)將上述裝有粉料的模具進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為168(T190(TC，壓力為 2(T30MPa，保溫時間為3(Γ60分鐘，自然冷卻，制得本發(fā)明所述的一種海洋Ti_Al/B4C材料。
在上述的制備方法中，Ti-Al金屬間化合物是采用機械合金化+退火處理制得，所述Ti-Al金屬間化合物是采用機械合金化+退火處理制得是將Ti粉和Al粉按照一定的配比，即按照Ti3Al或者是TiAl原子配比是3:1或者是1 1進行，或者是介于1 1到3:1 的Ti3Al與TiAl的混合體進行配比，置入不銹鋼球磨罐里，加入6mnTl0mm鋼球，球料比為 6 8:1，進行高能球磨，球磨機為行星式球磨機，轉(zhuǎn)速為380r/h，使粉末經(jīng)受反復(fù)的變形、冷焊、破碎，從而達到元素間原子水平合金化；將機械合金化后的粉料冷卻后于真空燒結(jié)爐內(nèi)在600度下保溫池進行退火處理，制得所述的Ti-Al金屬間化合物。
下面通過具體實施例對本發(fā)明的具體實施方式
作出進一步的詳細說明 實施例1一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料，其組成及其含量的按重量份為選用純度>97%，粒度3. 5 μ m以下的碳化硼60份，采用經(jīng)過機械合金化+退火處理得到的Ti-Al金屬間化合物37份，選用硼酸2.9份，選用長度在50 20011111之間的多壁碳納米管0.1份。其制備方法如下(1)按上組成及其含量，將碳化硼粉，Ti-Al金屬間化合物，硼化物和納米碳管以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合，真空條件下烘干，制得混合粉末；(2)將上述步驟(1)制得混合粉末加入到石墨模具中，層與層之間由石墨墊片或石墨紙隔開，根據(jù)所需材料要求來決定所需石墨模具尺寸，根據(jù)所需材料厚度來決定混合粉的填裝量；(3)將上述裝有粉料的模具進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1680°C，燒結(jié)壓力為20MPa， 保溫時間為30分鐘，自然冷卻。制得厚度為1cm的強海Ti-AVB4C材料。
將上述所制得的產(chǎn)品經(jīng)過常規(guī)測試設(shè)備以及測試方法，測試產(chǎn)品的性能為密度 2. 98g/cm3，彎曲強度437. 29MPa,斷裂韌性5. 72MPa-m1/2, HRA硬度93。此種材料適用于深海熱液區(qū)海洋探測探頭保護材料。
實施例2一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料，其組成及其含量的按重量份為碳化硼79份，Ti-Al 金屬間化合物19份，硼砂1. 9份，納米碳管0. 1份。其中，碳化硼粉純度>97%，粒度在3. 5 μ m 以下，Ti-Al金屬間化合物采用機械合金化+退火處理制備。納米碳管為多壁碳管、長度在 5(T200nm之間。制備方法步驟如下(1)按重量份，將碳化硼粉，Ti-Al金屬間化合物，硼化物和納米碳管以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合，真空條件下烘干，制備混合粉末；(2)將上述混合粉分層加入到石墨模具中，層與層之間用石墨墊片或石墨紙隔開，根據(jù)所需材料要求來定所需石墨模具尺寸，根據(jù)所需材料厚度來定混合粉的填裝量；(3)將上述裝有粉料的模具進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1800°C，壓力為20MPa，保溫時間為30分鐘，自然冷卻。制得厚度為:1. 2cm的一種海洋Ti-AVB4C材料。
所制得產(chǎn)品性能為密度2. 71g/cm3，彎曲強度580. 34MPa，斷裂韌性8. 07MPa-m1/2, HRA硬度94. 8 ；此種材料適用于海洋深潛器殼體深?？箟悍雷o板材料。
實施例3一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料，其組成及其含量的按重量份為碳化硼70份，Ti-Al 金屬間化合物觀份，金屬硼1. 9份，納米碳管0. 1份。碳化硼粉純度>97%，粒度在3. 5 μ m 以下；Ti-Al金屬間化合物采用機械合金化+退火處理制備；納米碳管為多壁碳管、長度在 5(T200nm之間。制備方法步驟如下(1)按上述重量份，將碳化硼粉，Ti-Al金屬間化合物，硼化物和納米碳管以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合，真空條件下烘干，制備混合粉末；(2)將上述混合粉分層加入到石墨模具中，層與層之間用石墨墊片或石墨紙隔開，根據(jù)所需材料要求來定所需石墨模具尺寸，根據(jù)所需材料厚度來定混合粉的填裝量；(3)將上述裝有粉料的模具進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1750°C，壓力為25MPa，保溫時間為30分鐘，自然冷卻。得到厚度為0. 6cm的Ti-AVB4C輕質(zhì)高強海洋材料。
所制得產(chǎn)品性能為密度2. 86g/cm3，彎曲強度577. 34MPa，斷裂韌性7. 01MPa-m1/2, HRA硬度92. 8 ；60天海水腐蝕后等效電路參數(shù)為=Rt/ 31. 82 K Ω .Cm2,Zdl/0. 7443 μ F ·αιΓ2， Rp/32. 2ΚΩ · cm2, 38nF · cm2, nx 0. 4655，Zw/83. ^KDW。表現(xiàn)出良好的耐海水腐蝕性能。此種材料可用于在海洋微生物富集區(qū)的海洋腐蝕防護材料。
權(quán)利要求
1.一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料，其所述材料的組成及其含量按重量份為碳化硼粉體60 90份，Ti-Al金屬間化合物10 40份，硼化物廣5份，納米碳管0. Γθ. 3份。
2.如權(quán)利要求1所述的鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料，其所述碳化硼粉體純度>97%，粒度< 3· 5μ 。
3.如權(quán)利要求1所述的鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料，其所述Ti-Al金屬間化合物是 α 2-Ti3Al和γ -TiAl中的一種，由機械合金化+退火處理得到。
4.如權(quán)利要求1所述的鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料，其所述硼化物是硼酸、硼砂和金屬硼中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料，其所述納米碳管是多壁碳管，長度為 5(T200nm。
6.一種用于權(quán)利要求1所述的鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料的制備方法，該方法是將材料的組成及其含量按重量份為碳化硼粉體6(Γ90份，Ti-Al金屬間化合物1(Γ40份，硼化物廣5份和納米碳管0.廣0. 3份，以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合，真空條件下烘干，制得混合粉末；再將制得混合粉末加入到石墨模具中，進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為168(T190(TC，壓力為2(T30MPa，保溫3(Γ60分鐘，自然冷卻，制得一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料。
7.如權(quán)利要求6所述的鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料的制備方法，其Ti-Al金屬間化合物是由機械合金化+退火處理制備，制備方法按重量份的步驟如下(1)將鈦粉64 78份、Al粉2廣36份、硬脂酸廣5份，球磨機粉磨混合20小時，制得 Ti-Al金屬間化合物非晶體，冷卻48小時；(2)將上述步驟(1)冷卻后的粉體在800°C進行真空熱爆處理，制得Ti-Al金屬間化合物塊體；(3)將上述步驟(2)制得Ti-Al金屬間化合物塊體，球磨至1200目，即得到Ti-Al金屬間化合物。
全文摘要
一種鈦鋁碳化硼基海洋復(fù)合材料及其制備方法，其所述材料是由碳化硼粉體、Ti-Al金屬間化合物、硼化物和納米碳管構(gòu)成；其所述方法是將材料組成以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合，真空烘干得到混合粉末；再將混合粉末加入到石墨模具中，進行熱壓燒結(jié)、保溫、冷卻，制得Ti-Al/B4C材料。該材料制備成本低，工藝簡單，并具有低密度、高強度和耐腐蝕的特點。
文檔編號C22C1/05GK102517482SQ201110435458
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者張衛(wèi)珂, 張敏, 王國英, 田曉峰, 高利珍 申請人:太原理工大學(xué)