本發(fā)明涉及一種ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷，屬于金屬顆粒增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

b4c陶瓷因其密度低、硬度高和耐腐蝕等特性，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料。研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在b4c中加入氧化物、活性碳、硼化物、碳化物及金屬單質(zhì)等第二相可以有效提高b4c制品的燒結(jié)性能和力學(xué)性能，相比純碳化硼，能夠在較低的燒結(jié)溫度下獲得具有較高致密度的復(fù)相陶瓷材料。

目前研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陶瓷基復(fù)合材料中的b4c相含量高于sic相時(shí)，在高溫氧化環(huán)境下，復(fù)合材料的表面會形成致密的b2o3玻璃相，從而隔絕氧元素和熱量的向內(nèi)傳播，進(jìn)而具有優(yōu)異的高溫氧化性能。sic是b4c陶瓷燒結(jié)常用的增韌相，熱力學(xué)計(jì)算表明此二者在2500℃以上仍為穩(wěn)定體系。sic可通過前驅(qū)體來引入，例如聚碳硅烷(pscs)。在1900℃下熱壓制備b4c/sic(pscs)/a12o3復(fù)合材料(郭全貴,宋進(jìn)仁,劉朗,張碧江.b4c-sic/c復(fù)合材料氧化過程的tg/dta分析[j].碳素技術(shù),1999,100(2):12-16)，可在復(fù)合材料晶粒間形成一種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)：b4c和a12o3顆粒內(nèi)部的納米sic、晶粒晶界處的層片狀sic以及b4c晶粒間的sic亞晶界結(jié)構(gòu)。這種復(fù)相陶瓷材料抗彎強(qiáng)度375mpa，斷裂韌性5.08mpa·m^1/2，顯微硬度34.4gpa。

b4c陶瓷基復(fù)合材料硬度高韌性差，而金屬材料普遍具有優(yōu)異的韌性。因而，在b4c陶瓷的制備中加入金屬相，雖然會一定程度降低陶瓷復(fù)合材料的硬度，但是可以有效地改善其韌性。碳化硼/金屬復(fù)合材料的制備，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題，即碳化硼和金屬間的潤濕性性以及碳化硼與金屬之間的反應(yīng)。目前主要的研究工作集中在fe、cu、mg、ti、al等金屬和碳化硼的復(fù)合材料上，制備溫度通常為1000℃,但由于金屬相與陶瓷相潤濕性較差,無法形成統(tǒng)一穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),從而無法獲得具有穩(wěn)定性的成品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷，所述復(fù)相陶瓷中存在穿晶斷裂和沿晶斷裂共存的混合斷裂模式，提高了其斷裂韌性；而且，增強(qiáng)相ti和b4c發(fā)生界面反應(yīng)生成tib2相，可以起到優(yōu)化物相組成，細(xì)化晶粒的作用，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

本發(fā)明的目是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷，所述復(fù)相陶瓷是采用如下方法制備得到的：

步驟1.制備ti、b4c和sic的復(fù)相粉體

將ti粉體、sic粉體、b4c粉體、聚乙二醇(peg)以及無水乙醇按照0.1～1:1.5:2.5:0.1:20的質(zhì)量比進(jìn)行混合并移入球磨罐中，再加入球磨介質(zhì)，然后在150r/min～200r/min的轉(zhuǎn)速下球磨12h～48h，再將球磨后的混合料漿進(jìn)行真空干燥，得到復(fù)相粉體；

步驟2.真空熱壓燒結(jié)

將步驟1所得的復(fù)相粉體置于真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，冷卻，得到所述ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷；

其中，真空熱壓燒結(jié)爐中的真空度不低于6.63×10^-3pa，燒結(jié)溫度1800℃～1950℃，燒結(jié)壓力20mpa～30mpa，燒結(jié)時(shí)間1h～2h。

ti粉體的平均粒徑優(yōu)選3μm～5μm，sic粉體的平均粒徑優(yōu)選1μm～5μm，b4c粉體的平均粒徑優(yōu)選3μm～10μm。

所述球磨介質(zhì)的材質(zhì)優(yōu)選zro2。

步驟1中，ti粉體、sic粉體、b4c粉體、聚乙二醇以及無水乙醇的質(zhì)量比優(yōu)選1:1.5:2.5:0.1:20。

有益效果：

本發(fā)明所述的ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷中，ti與b4c發(fā)生界面反應(yīng)生成tib2相，可以起到優(yōu)化物相組成，細(xì)化晶粒的作用，從而提高復(fù)相陶瓷的力學(xué)性能；而且ti在燒結(jié)過程中產(chǎn)生大量液相，促進(jìn)復(fù)相陶瓷的燒結(jié)和致密化進(jìn)程，而且所制備的復(fù)相陶瓷微觀結(jié)構(gòu)致密。另外，本發(fā)明所述復(fù)相陶瓷中存在穿晶斷裂和沿晶斷裂共存的混合斷裂模式，從而提高了復(fù)相陶瓷的斷裂韌性。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中制備得到的ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷的x射線衍射(xrd)圖譜。

圖2為實(shí)施例1中制備得到的ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷的斷面掃描電子顯微鏡(sem)圖。

圖3為實(shí)施例1中制備得到的ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷的斷面高倍掃描電子顯微鏡圖。

圖4為實(shí)施例1中制備得到的ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷的裂紋擴(kuò)展掃描電子顯微鏡圖。

圖5為對比例1中未添加ti的b4c/sic復(fù)相陶瓷的斷面掃描電子顯微鏡圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

以下實(shí)施例中：

ti粉體：平均粒徑為5μm，上海水田材料科技有限公司；

sic粉體：平均粒徑為1μm，上海水田材料科技有限公司；

b4c粉體：平均粒徑為3μm，上海水田材料科技有限公司。

相對密度：采用排水法測試；

顯微硬度測試：采用萊州華銀實(shí)驗(yàn)儀器廠家生產(chǎn)的hv-10b型號的顯微硬度計(jì)測試；

力學(xué)性能測試：按照標(biāo)準(zhǔn)gb/t4741-1999，gb/tgb/t23806-2009測試抗彎強(qiáng)度以及斷裂韌性；

xrd表征：所采用的x射線衍射儀的型號d8-advance，廠家；德國布洛克電子；

sem形貌表征：所采用的掃描電子顯微鏡的型號s-4800，廠家；日本hitachi公司，并進(jìn)行能譜儀(eds)表征。

實(shí)施例1

步驟1.將ti粉體、sic粉體、b4c粉體、peg4000以及無水乙醇按照1:1.5:2.5:0.1:20的質(zhì)量比進(jìn)行混合并移入聚四氟乙烯球磨罐中，再按照4:1的球料比加入球磨介質(zhì)zro2球，然后在150r/min的轉(zhuǎn)速下球磨48h，再將球磨后的混合料漿置于80℃真空干燥箱中干燥8h，得到復(fù)相粉體；

步驟2.將步驟1所得的復(fù)相粉體置于真空熱壓燒結(jié)爐中，待真空度達(dá)到6.63×10^-3pa時(shí)，在1950℃的燒結(jié)溫度以及30mpa的燒結(jié)壓力下燒結(jié)2h，隨爐冷卻，得到ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷。

對本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷進(jìn)行表征：測得相對密度為98.7％，顯微硬度為40.7gpa，抗彎強(qiáng)度為576.7mpa，斷裂韌性為5.41mpa·m^1/2。從圖1可以得知，本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷主要物相組成為tib2、b4c、sic和c，其中tib2和c是ti與b4c之間發(fā)生界面反應(yīng)得到的產(chǎn)物。與對比例中制備的未添加ti的b4c/sic復(fù)相陶瓷相比，本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷具有更低的氣孔率，更細(xì)小的晶粒，更清晰地晶粒輪廓，詳見圖2和圖5。對圖3中標(biāo)記的區(qū)域進(jìn)行eds分析，根據(jù)分析結(jié)果可以確定界面產(chǎn)物tib2的存在，詳見表1。圖4則詮釋了本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷韌性優(yōu)異的原因，即本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷中存在穿晶斷裂和沿晶斷裂共存的模式，使得復(fù)相陶瓷有更長的裂紋擴(kuò)展路徑，提高了其韌性。

表1

實(shí)施例2

步驟1.將ti粉體、sic粉體、b4c粉體、peg4000以及無水乙醇按照0.5:1.5:2.5:0.1:20的質(zhì)量比進(jìn)行混合并移入聚四氟乙烯球磨罐中，再按照4:1的球料比加入球磨介質(zhì)zro2球，然后在200r/min的轉(zhuǎn)速下球磨24h，再將球磨后的混合料漿置于80℃真空干燥箱中干燥8h，得到復(fù)相粉體；

步驟2.將步驟1所得的復(fù)相粉體置于真空熱壓燒結(jié)爐中，待真空度達(dá)到6.63×10^-3pa時(shí)，在1950℃的燒結(jié)溫度以及30mpa的燒結(jié)壓力下燒結(jié)2h，隨爐冷卻，得到ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷。

對本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷進(jìn)行表征：測得相對密度為97.9％，顯微硬度為38.1gpa，抗彎強(qiáng)度為495.2mpa，斷裂韌性為5.13mpa·m^1/2。根據(jù)形貌表征得到的sem圖可以得知，本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷的結(jié)構(gòu)致密，晶粒尺寸分布均勻，晶粒輪廓清晰，而且存在穿晶斷裂和沿晶斷裂共存的混合斷裂模式。對本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷進(jìn)行xrd表征，根據(jù)所得的譜圖可知，主要物相組分為b4c、sic和較低強(qiáng)度的tib2，tib2是ti與b4c之間發(fā)生界面反應(yīng)得到的產(chǎn)物。

實(shí)施例3

步驟1.將ti粉體、sic粉體、b4c粉體、peg4000以及無水乙醇按照1:1.5:2.5:0.1:20的質(zhì)量比進(jìn)行混合并移入聚四氟乙烯球磨罐中，再按照4:1的球料比的球料比加入球磨介質(zhì)zro2球，然后在150r/min的轉(zhuǎn)速下球磨48h，再將球磨后的混合料漿置于80℃真空干燥箱中干燥8h，得到復(fù)相粉體；

步驟2.將步驟1所得的復(fù)相粉體置于真空熱壓燒結(jié)爐中，待真空度達(dá)到6.63×10^-3pa時(shí)，在1800℃的燒結(jié)溫度以及20mpa的燒結(jié)壓力下燒結(jié)1h，隨爐冷卻，得到ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷。

對本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷進(jìn)行表征：測得相對密度為97.4％，顯微硬度為37.5gpa，抗彎強(qiáng)度為486.2mpa，斷裂韌性為4.96mpa·m^1/2。根據(jù)形貌表征得到的sem圖可以得知，本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷的結(jié)構(gòu)比較致密，晶粒尺寸分布均勻，平均粒徑較小，晶粒輪廓清晰，而且存在穿晶斷裂和沿晶斷裂共存的混合斷裂模式。對本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷進(jìn)行xrd表征，根據(jù)所得的譜圖可知，主要物相組分為b4c，sic和明顯的tib2，tib2是ti與b4c之間發(fā)生界面反應(yīng)得到的產(chǎn)物。

實(shí)施例4

步驟1.將ti粉體、sic粉體、b4c粉體、peg4000以及無水乙醇按照0.1:1.5:2.5:0.1:20的質(zhì)量比進(jìn)行混合并移入聚四氟乙烯球磨罐中，再按照4:1的球料比的球料比加入球磨介質(zhì)zro2球，然后在200r/min的轉(zhuǎn)速下球磨48h，再將球磨后的混合料漿置于80℃真空干燥箱中干燥8h，得到復(fù)相粉體；

步驟2.將步驟1所得的復(fù)相粉體置于真空熱壓燒結(jié)爐中，待真空度達(dá)到6.63×10^-3pa時(shí)，在1800℃的燒結(jié)溫度以及20mpa的燒結(jié)壓力下燒結(jié)1h，隨爐冷卻，得到ti增強(qiáng)b4c/sic復(fù)相陶瓷。

對本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷進(jìn)行表征：測得相對密度為97.2％，顯微硬度為36.3gpa，抗彎強(qiáng)度為456.6mpa，斷裂韌性為4.76mpa·m^1/2。根據(jù)形貌表征得到的sem圖可以得知，本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷的結(jié)構(gòu)緊密并有部分微小氣孔，晶粒尺寸分布差別較大，有較大尺寸的陶瓷顆粒，晶粒輪廓清晰，擁有沿晶斷裂并伴隨少量穿晶斷裂的混合斷裂模式。對本實(shí)施例所制備的復(fù)相陶瓷進(jìn)行xrd表征，根據(jù)所得的譜圖可知，主要物相組分為b4c，sic和不明顯的tib2，tib2是ti與b4c之間發(fā)生界面反應(yīng)得到的產(chǎn)物。

對比例1

步驟1.將sic粉體、b4c粉體、peg4000以及無水乙醇按照1.5:2.5:0.1:20的質(zhì)量比進(jìn)行混合并移入聚四氟乙烯球磨罐中，再按照4:1的球料比加入球磨介質(zhì)zro2球，然后在150r/min的轉(zhuǎn)速下球磨48h，再將球磨后的混合料漿置于80℃真空干燥箱中干燥8h，得到復(fù)相粉體；

步驟2.將步驟1所得的復(fù)相粉體置于真空熱壓燒結(jié)爐中，待真空度達(dá)到6.63×10^-3pa時(shí)，在1950℃的燒結(jié)溫度以及30mpa的燒結(jié)壓力下燒結(jié)2h，隨爐冷卻，得到b4c/sic復(fù)相陶瓷。

對本對比例所制備的復(fù)相陶瓷進(jìn)行表征：測得相對密度為94.1％，顯微硬度為44.5gpa，抗彎強(qiáng)度為337.2mpa，斷裂韌性為3.13mpa·m^1/2。根據(jù)圖5可知，本對比例所制備的復(fù)相陶瓷中晶粒較大，氣孔較多，斷裂多為整個(gè)晶粒劈裂斷裂，材料性能較差，未實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。