本發(fā)明屬于陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種層狀碳化硼金屬復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

碳化硼復(fù)合材料具有高硬度、耐磨損及耐輻射等多種優(yōu)異的性能，廣泛用于核反應(yīng)堆乏燃料的處理、防彈裝甲材料以及耐磨材料的制備。其包括碳化硼基高分子復(fù)合材料、碳化硼基陶瓷復(fù)合材料以及碳化硼基金屬復(fù)合材料等。其中碳化硼基金屬復(fù)合材料由于具有較低的缺陷敏感性和更好的韌性，在如乏燃料處理、裝甲防護(hù)等領(lǐng)域中更有應(yīng)用前景。目前，碳化硼基金屬復(fù)合材料常見的工藝方法有如下幾類：

1)粉末冶金法，即直接將金屬粉末與碳化硼粉混合后，通過壓力成型，再在高溫下完成燒結(jié)，如canakci等人通過粉末冶金方法，在600c氬氣氣氛下制備出了具有梯度結(jié)構(gòu)的金屬基al-b4c材料。(見aykutcanakci，etal.，microstructureandpropertiesofal-b4cfunctionallygradedmaterialsproducedbypowdermetallurgymethod,univers.j.mater.sci.2(2014)90–95)。

2)壓力浸滲法，即首先制備出多孔碳化硼坯體，再將熔融金屬用壓力壓入多孔坯體中，從而獲得碳化硼復(fù)合材料的方法(見penglm，etal.,mechanicalpropertiesofceramic-metalcompositesbypressureinfiltrationofmetalintoposorousceramics，materscienga，2004，374：1-9)，但這種方法難以制備復(fù)雜形狀件，在受壓過程中，坯體易由于應(yīng)力不均勻發(fā)生損壞。

3)無壓浸滲法，即首先制備出多孔碳化硼坯體，再將熔融金屬在高溫下利用毛細(xì)作用力滲入多孔碳化硼坯體，以此獲得碳化硼復(fù)合材料的方法(如p.sahani,etal.,effectofaladditiononsic-b4ccermetpreparedbypressurelesssinteringandsparkplasmasinteringmethods,int.j.refract.met.hardmater.57(2016)31–41.)，但該方法金屬的填充性受到碳化硼與熔融金屬的潤濕性的影響。

4)凝膠注模法，如通過加入其它高分子材料將b4c及al配制為料漿，并通過原位固化的方法將料漿轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)坯體，最終在還原性氣氛下將坯體燒結(jié)，獲得碳化硼金屬復(fù)合材料(見c.h.zhang,etal.,preparationofboroncarbide-aluminumcompositesbynon-aqueousgelcasting,ceramicsinternational,2009,35:2255-2259)。

在上述方法中，仍存在如燒結(jié)溫度高、性能分散性大、難以制備復(fù)雜形狀件等問題，特別是由于極端工況應(yīng)用領(lǐng)域(如核輻射環(huán)境及裝甲防護(hù)用途)中對復(fù)雜形狀件和高可靠性部件的需求，迫切需要發(fā)展一種新的碳化硼復(fù)合材料。(類似的層狀結(jié)構(gòu)清華大學(xué)曾有專利提出，但其制備方法屬于傳統(tǒng)方法，其層狀結(jié)構(gòu)為金屬包裹陶瓷的三明治式，制備工藝復(fù)雜，本發(fā)明將反應(yīng)燒結(jié)、增材制造方法融于一體，制備金屬陶瓷多層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，工藝簡便易行，可隨時根據(jù)需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整獲得不同的復(fù)合材料。)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有優(yōu)良機(jī)械性能的層狀碳化硼復(fù)合材料及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的燒結(jié)溫度高、性能分散性大、難以制備復(fù)雜形狀件等問題。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種碳化硼復(fù)合材料，其為下述組分的原料按重量百分?jǐn)?shù)混合：碳化硼粉末30％～60％、碳粉5％～25％、硅粉10％～25％以及金屬粉末15％～45％，利用定向能場使粉料燒結(jié)致密化，同時利用逐層鋪粉工藝制備出陶瓷與金屬層厚可控的疊層結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述碳化硼粉末為立方碳化硼含量﹥98％的粉料，平均粒徑在0.2～200μm。

優(yōu)選地，所述硅粉為粒徑為0.2～200μm的商業(yè)硅粉或造粒粉，雜質(zhì)百分含量小于1wt％。商業(yè)硅粉以相關(guān)行業(yè)及國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，其雜質(zhì)主要成分為鐵，非商業(yè)硅粉由于制備方法和成分均不屬于國標(biāo)范圍，其成分、形貌等均無可比性，這里強(qiáng)調(diào)商業(yè)硅粉的目的是為了限定硅粉的相關(guān)性能，確保材料制備方法的可行性。雜質(zhì)直接影響了硅在熔融后的潤濕性、熔點(diǎn)以及反應(yīng)生成物的狀態(tài)等，從而影響材料內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)及其他物理力學(xué)性能等。

優(yōu)選地，所述碳粉為無定形碳、炭黑、石墨粉中的一種或多種，其粒徑為0.2～200μm，純度應(yīng)大于99％。

優(yōu)選地，所述金屬粉末為鈦粉、鋁粉或鋁合金粉末中的一種或多種，其粒徑為2～200μm。

相應(yīng)地，本發(fā)明還提出一種碳化硼復(fù)合材料的制備方法，包括下述步驟：

(1)將下述重量組分：碳化硼粉末30％～60％、碳粉5％～15％、硅粉10％～25％以及金屬粉末15％～30％分別稱量，從所稱量的金屬粉末取出其中的30％～70％待用，并將剩余的金屬粉末與上述其它三種原料用濕法球磨制備成混合粉末a；

(2)待混合粉末a烘干后，將混合前取出的金屬粉末與混合粉末a分別裝入兩個不同的容器內(nèi)；使用時首先將金屬粉末均勻平鋪在其基板上，采用定向能場使其燒結(jié)，形成金屬層；之后將混合粉末a鋪開在已燒結(jié)的金屬上，采用定向能場誘發(fā)其反應(yīng)，促進(jìn)陶瓷層的燒結(jié)；重復(fù)上述過程至所需厚度，完成增材制造過程，最終形成金屬層-陶瓷層交替出現(xiàn)的疊層狀結(jié)構(gòu)；在整個制造過程中氣氛為真空或氬氣氣氛等保護(hù)性氣氛；混合粉末在定向能場作用下發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)金屬對陶瓷顆粒的潤濕，誘發(fā)原料間的反應(yīng)，并改善燒結(jié)致密化。

優(yōu)選地，所述制備方法中，增材制造成的材料結(jié)構(gòu)為疊層狀結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述制備方法中，增材制造用定向能場包括但不限于激光以及微波等。

本發(fā)明所制備的碳化硼復(fù)合材料，其微觀結(jié)構(gòu)為疊層狀結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明將采用增材制造的理念，將反應(yīng)燒結(jié)工藝、金屬增材制造工藝相結(jié)合，利用原料之間的化學(xué)反應(yīng)，降低碳化硼材料的增材制造難度，利用金屬與碳化硼間的潤濕與反應(yīng)提高其界面結(jié)合強(qiáng)度，并通過金屬實(shí)現(xiàn)増韌使材料具有良好的韌性。用本發(fā)明方法制備的碳化硼基金屬復(fù)合材料其抗彎強(qiáng)度最高可達(dá)220mpa，其對中子輻射的吸收率>90％，通過組分調(diào)整，該材料既可用于單一輻射的防護(hù)，也可通過組分調(diào)整用于多種輻射的防護(hù)；同時材料的層狀結(jié)構(gòu)使得材料具有良好的韌性，金屬相的存在大幅度降低了材料的缺陷敏感性；除此之外，增材制造方法的應(yīng)用使得材料可用于制備復(fù)雜形狀件，滿足了在極端工況下對碳化硼復(fù)合材料復(fù)雜形狀件的需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備碳化硼復(fù)合材料的制造過程示意圖；

圖2為本發(fā)明制備碳化硼復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：

一種碳化硼復(fù)合材料，其特征在于，原料按重量百分?jǐn)?shù)，包括下述組分：30％的0.2μm碳化硼粉末、25％的0.2μm硅粉和25％的0.2μm碳粉以及20％的2μm鋁粉。

所述碳化硼粉末，其立方碳化硼含量﹥98％。

所述硅粉為球形硅粉，雜質(zhì)元素含量應(yīng)小于1wt％。

所述碳粉為球形石墨粉。

所述鋁粉為球形鋁粉。

本實(shí)施例的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

步驟一、將30％的0.2μm碳化硼粉末、25％的0.2μm硅粉和25％的0.2μm碳粉以及20％的2μm鋁粉分別稱量；

步驟二、取出鋁粉總量的70％待用，并將剩余的鋁粉粉末與上述其它三種原料用分散劑濕法球磨制備成混合粉末a；

步驟三、待混合粉末a烘干后，將上述鋁粉粉末與混合粉末a分別裝入兩個不同的容器內(nèi)，使用時首先利用刮刀或鋪粉輥將金屬粉末均勻平鋪在其上，采用激光使其燒結(jié)，形成金屬層；之后將混合粉末a鋪開在已燒結(jié)的金屬上，，采用激光誘發(fā)原料間的反應(yīng)。一方面反應(yīng)可促進(jìn)金屬對陶瓷顆粒的潤濕，另一方面通過反應(yīng)放熱促進(jìn)燒結(jié)致密；重復(fù)上述過程至所需厚度，完成增材制造過程；在整個制造過程中氣氛為真空或氬氣氣氛等保護(hù)性氣氛；

步驟四、待材料冷卻后用毛刷或壓縮空氣等將材料表面的粉末去除，并清理表面即獲得所需的碳化硼復(fù)合材料。

實(shí)施例2：

一種碳化硼復(fù)合材料，其特征在于，原料按重量百分?jǐn)?shù)，包括下述組分：40％的2μm碳化硼粉末、10％的4μm硅粉和5％的2μm碳粉以及10％的3μm鋁粉和35％的10μm鉛粉。

所述碳化硼粉末，其立方碳化硼含量﹥98％。

所述硅粉為球形硅粉，雜質(zhì)元素含量應(yīng)小于1wt％。

所述碳粉為球形無定形碳粉。

所述鋁粉和鉛粉均為球形粉末。

本實(shí)施例的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

步驟一、將40％的2μm碳化硼粉末、10％的4μm硅粉和5％的2μm碳粉以及10％的3μm鋁粉和35％的10μm鉛粉分別稱量；

步驟二、取出鋁粉及鉛粉總量的70％待用，并將剩余的金屬粉末與上述其它三種原料用分散劑濕法球磨制備成混合粉末a；

步驟三、待混合粉末a烘干后，將上述金屬粉末與混合粉末a分別裝入兩個不同的容器內(nèi)，使用時首先利用刮刀或鋪粉輥將金屬粉末均勻平鋪在其上，采用激光使其燒結(jié)，形成金屬層；之后將混合粉末a鋪開在已燒結(jié)的金屬上，采用激光誘發(fā)原料間的反應(yīng)。一方面反應(yīng)可促進(jìn)金屬對陶瓷顆粒的潤濕，另一方面通過反應(yīng)放熱促進(jìn)燒結(jié)致密；重復(fù)上述過程至所需厚度，完成增材制造過程；在整個制造過程中氣氛為真空或氬氣氣氛等保護(hù)性氣氛；

步驟四、待材料冷卻后用毛刷或壓縮空氣等將材料表面的粉末去除，并清理表面即獲得所需的碳化硼復(fù)合材料。

實(shí)施例3：

一種碳化硼復(fù)合材料，其特征在于，原料按重量百分?jǐn)?shù)，包括下述組分：40％的200μm碳化硼粉末、10％的200μm硅粉和10％的200μm碳粉以及40％的200μm鉛粉。

所述碳化硼粉末，其立方碳化硼含量﹥98％。

所述硅粉為球形硅粉，雜質(zhì)元素含量應(yīng)小于1wt％。

所述碳粉為球形石墨粉。

所述鉛粉為球形鉛粉。

本實(shí)施例的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

步驟一、將40％的200μm碳化硼粉末、10％的200μm硅粉和10％的200μm碳粉以及40％的200μm鉛粉分別稱量；

步驟二、取出鉛粉總量的50％待用，并將剩余的鉛粉粉末與上述其它三種原料用分散劑濕法球磨制備成混合粉末a；

步驟三、待混合粉末a烘干后，將上述鉛粉粉末與混合粉末a分別裝入兩個不同的容器內(nèi)，使用時首先利用刮刀或鋪粉輥將金屬粉末均勻平鋪在其上，采用激光使其燒結(jié)，形成金屬層；之后將混合粉末a鋪開在已燒結(jié)的金屬上，采用激光誘發(fā)原料間的反應(yīng)。一方面反應(yīng)可促進(jìn)金屬對陶瓷顆粒的潤濕，另一方面通過反應(yīng)放熱促進(jìn)燒結(jié)致密；重復(fù)上述過程至所需厚度，完成增材制造過程；在整個制造過程中氣氛為真空或氬氣氣氛等保護(hù)性氣氛；

步驟四、待材料冷卻后用毛刷或壓縮空氣等將材料表面的粉末去除，并清理表面即獲得所需的碳化硼復(fù)合材料。

實(shí)施例4：

一種碳化硼復(fù)合材料，其特征在于，原料按重量百分?jǐn)?shù)，包括下述組分：40％的100μm碳化硼粉末、10％的50μm硅粉和10％的30μm碳粉以及10％的20μm鈦粉和30％的100μm鉛粉。

所述碳化硼粉末，其立方碳化硼含量﹥98％。

所述硅粉為球形硅粉，雜質(zhì)元素含量應(yīng)小于1wt％。

所述碳粉為球形炭黑粉。

所述鈦粉及鉛粉均為球形粉。

本實(shí)施例的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

步驟一、將40％的100μm碳化硼粉末、10％的50μm硅粉和10％的30μm碳粉以及10％的20μm鈦粉和30％的100μm鉛粉分別稱量；

步驟二、取出鈦粉及鉛粉末總量的80％待用，并將剩余的粉末與上述其它三種原料用分散劑濕法球磨制備成混合粉末a；

步驟三、待混合粉末a烘干后，將上述鈦粉及鉛粉粉末與混合粉末a分別裝入兩個不同的容器內(nèi)，使用時首先利用刮刀或鋪粉輥將鈦粉及鉛粉末均勻平鋪在其上，采用激光使其燒結(jié)，形成金屬層；之后將混合粉末a鋪開在已燒結(jié)的金屬上，采用激光誘發(fā)原料間的反應(yīng)。一方面反應(yīng)可促進(jìn)金屬對陶瓷顆粒的潤濕，另一方面通過反應(yīng)放熱促進(jìn)燒結(jié)致密；重復(fù)上述過程至所需厚度，完成增材制造過程；在整個制造過程中氣氛為真空或氬氣氣氛等保護(hù)性氣氛；

步驟四、待材料冷卻后用毛刷或壓縮空氣等將材料表面的粉末去除，并清理表面即獲得所需的碳化硼復(fù)合材料。

實(shí)施例5：

一種碳化硼復(fù)合材料，其特征在于，原料按重量百分?jǐn)?shù)，包括下述組分：60％的200μm碳化硼粉末、15％的2μm硅粉和10％的1μm碳粉以及15％的30μm鈦粉。

所述碳化硼粉末，其立方碳化硼含量﹥98％。

所述硅粉為球形硅粉，雜質(zhì)元素含量應(yīng)小于1wt％。

所述碳粉為球形石墨粉。

所述鈦粉為球形鈦粉。

本實(shí)施例的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

步驟一、將60％的200μm碳化硼粉末、15％的2μm硅粉和10％的1μm碳粉以及15％的30μm鈦粉分別稱量；

步驟二、取出鈦粉總量的70％待用，并將剩余的鈦粉粉末與上述其它三種原料用分散劑濕法球磨制備成混合粉末a；

步驟三、待混合粉末a烘干后，將上述鈦粉粉末與混合粉末a分別裝入兩個不同的容器內(nèi)，使用時首先利用刮刀或鋪粉輥將鈦粉末均勻平鋪在其上，采用激光使其燒結(jié)，形成金屬層；之后將混合粉末a鋪開在已燒結(jié)的金屬上，采用微波誘發(fā)原料間的反應(yīng)。一方面反應(yīng)可促進(jìn)金屬對陶瓷顆粒的潤濕，另一方面通過反應(yīng)放熱促進(jìn)燒結(jié)致密；重復(fù)上述過程至所需厚度，完成增材制造過程；在整個制造過程中氣氛為真空或氬氣氣氛等保護(hù)性氣氛；

步驟四、待材料冷卻后用毛刷或壓縮空氣等將材料表面的粉末去除，并清理表面即獲得所需的碳化硼復(fù)合材料。

本發(fā)明中，可通過控制增材制造設(shè)備液壓缸的位移直接調(diào)整鋪粉層的厚度，或者在增材制造過程中對相同的粉料進(jìn)行多次鋪粉實(shí)現(xiàn)層厚調(diào)整。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。