本發(fā)明屬于陶瓷材料，更具體地，是一種高性能的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、氧化鉿(hfo2)是一種廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域中的陶瓷材料，其具有高強(qiáng)度、高硬度、抗磨損、高溫穩(wěn)定性等優(yōu)異性能。然而，由于材料結(jié)構(gòu)的特殊性，氧化鉿難以通過(guò)常見的工藝方法得到致密材料。在氧化鉿陶瓷制備過(guò)程中，燒結(jié)溫度是影響其性能的重要因素之一。

2、氧化鉿陶瓷的燒結(jié)溫度通常在1800～2000℃之間，更高的燒結(jié)溫度可以得到更致密的材料。燒結(jié)溫度越高，材料易發(fā)生晶粒生長(zhǎng)。在高溫環(huán)境下，材料中的晶粒會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大，燒結(jié)出來(lái)的材料晶粒相對(duì)較大。晶粒越大，材料強(qiáng)度越低，韌性越差。因此，合適的燒結(jié)溫度可以得到致密、高強(qiáng)度、高韌性的氧化鉿陶瓷材料。除了燒結(jié)溫度以外，燒結(jié)時(shí)間、壓力、添加劑等因素也會(huì)影響氧化鉿陶瓷的燒結(jié)效果。其中，添加劑的加入可以有效地提高氧化鉿陶瓷的燒結(jié)效果，從而得到更致密、更均勻的材料。

3、六方氮化硼(h-bn)陶瓷具有與石墨相似的晶體結(jié)構(gòu)，是一種優(yōu)異的高溫材料，同時(shí)具有熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱系數(shù)高、耐熱沖擊和耐腐蝕等特點(diǎn)。因此，h-bn陶瓷已被應(yīng)用于坩堝、熱電偶夾套等高溫環(huán)境下的部件中。文獻(xiàn)報(bào)道在氧化物和硼化物等陶瓷中加入h-bn會(huì)提高陶瓷的斷裂韌性，但h-bn陶瓷具有較強(qiáng)的共價(jià)鍵，難以用傳統(tǒng)的燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)。自蔓延高溫合成(shs)又稱燃燒合成，提供了一種不使用燒結(jié)助劑制備難熔化合物的有效方法。但其制備的陶瓷生產(chǎn)成本相對(duì)較高。原位反應(yīng)合成(反應(yīng)熱壓)方法制備陶瓷復(fù)合具有良好的力學(xué)性能。但是如何實(shí)現(xiàn)低溫原位合成陶瓷復(fù)合陶瓷還有待進(jìn)一步研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足和缺點(diǎn)，提供一種高性能的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷，該復(fù)合陶瓷具有高韌性和高硬度。

2、本發(fā)明另一目的在于提供上述高性能氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷的制備方法。該方通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)低溫原位生成hfo2-x?vol％bn-y?vol％co-z?vol％w復(fù)合陶瓷。

3、本發(fā)明再一目的在于提供上述高性能氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷的應(yīng)用。

4、本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

5、一種高性能氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷為hfo2-x?vol％bn-y?vol％co-z?vol％w，0<x≤15，0<y≤15，0<z≤15；該復(fù)合陶瓷是先將hfo2、co、w和無(wú)定型硼粉的混合粉體模壓后在100～200mpa進(jìn)行冷等靜壓制成坯體，在管式爐中充入n2，升溫至600～800℃保溫，再升溫至1400～1600℃保溫制得。

6、優(yōu)選地，所述復(fù)合陶瓷的相對(duì)密度>99％，硬度30～45gpa，斷裂韌性為8～15mpa·m1/2，陶瓷晶粒尺寸為1～2μm，所述復(fù)合陶瓷經(jīng)1500～1800℃熱處理1～4h后的重量變化率為0.2～0.8％。

7、優(yōu)選地，所述hfo2、co、w和無(wú)定型硼粉的純度為99wt％以上，所述hfo2、co、w和無(wú)定型硼粉的粒徑為0.1～2μm。

8、優(yōu)選地，所述hfo2與無(wú)定型硼粉的摩爾比均為(1～10)：(1～10)。

9、優(yōu)選地，所述保護(hù)氣氛為n2。

10、所述的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷的制備方法，包括如下具體步驟：

11、s1.以hfo2、co、w和無(wú)定型硼粉為原料，加入溶劑和球磨介質(zhì)，在球磨機(jī)上混合，干燥后獲得混合粉體；

12、s2.將混合粉體模壓后在100～200mpa冷等靜壓加壓，得到坯體；

13、s3.將坯體置于管式爐中充入1～10m3/minn2，升溫至600～800℃保溫，再升溫至1400～1600℃保溫，制得hfo2-x?vol％bn-y?vol％co-z?vol％w復(fù)合陶瓷。

14、優(yōu)選地，步驟s1中所述溶劑為乙醇、丙醇、甲醇或丙酮。

15、優(yōu)選地，步驟s1中所述混合的時(shí)間為10～24h，步驟s2中所述冷等靜壓的時(shí)間為5～15min。

16、優(yōu)選地，步驟s3中所述升溫至600～800℃的速率為5～10℃/min，升溫至1400～1600℃的速率為2～5℃/min，所述保溫的時(shí)間均為0.5～2h。

17、所述的高性能氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷在坩堝、熱電偶夾套高溫環(huán)境下的部件中應(yīng)用。

18、本發(fā)明是以hfo2、co、w和無(wú)定型硼粉為原料，通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)低溫原位生成hfo2-xvol％bn-y?vol％co-z?vol％w復(fù)合陶瓷。由于純hfo2或者bn所需的燒結(jié)溫度較高，加入co和w作為添加劑，很大程度上降低了燒結(jié)溫度，且原位生成bn，進(jìn)一步提高了氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷的性能。合適的燒結(jié)溫度可以得到致密、高強(qiáng)度、高韌性的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷，可應(yīng)用在高溫環(huán)境中。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

20、1.本發(fā)明以hfo2、co、w和無(wú)定型硼粉為原料，通入保護(hù)氣氛，無(wú)定型硼粉作為反應(yīng)物，一部分與氮?dú)庠簧煞植季鶆虻腷n，一部分與hfo2變成hfb2，復(fù)合陶瓷的晶粒尺寸更細(xì)(1～1.5)μm，w會(huì)彌補(bǔ)低熔點(diǎn)co對(duì)氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷材料力學(xué)性能和高溫性能的降低，同時(shí)也會(huì)生成部分hfb2，其具有高熔點(diǎn)、高硬度、良好的抗腐蝕性能與抗氧化性能等，顯著提高了氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能。

21、2.本發(fā)明采用低溫原位方法，低熔點(diǎn)的co會(huì)很大程度上降低氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷材料的燒結(jié)溫度，改善燒結(jié)性能，實(shí)現(xiàn)了高性能氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷的低溫(1400～1600℃)原位制備，也提高復(fù)合陶瓷的密度均勻性和力學(xué)性能，如耐磨性、強(qiáng)度和硬度等。

22、3.本發(fā)明原位生成的六方氮化硼(bn)是優(yōu)異的高溫材料，具有熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱系數(shù)高、耐熱沖擊和耐腐蝕等特點(diǎn)，使其應(yīng)用范圍變的更廣。

23、說(shuō)明附圖

24、圖1為實(shí)施例1-3和對(duì)比例1制得的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷的xrd圖譜。

技術(shù)特征：

1.一種高性能的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷，其特征在于，所述氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷組成為hfo2-x?vol％bn-y?vol％co-z?vol％w，其中，0<x≤15，0<y≤15，0<z≤15；該復(fù)合陶瓷是先將hfo2、co、w和無(wú)定型硼粉的混合粉體模壓后，在100～200mpa進(jìn)行冷等靜壓制成坯體，將坯體置于管式爐中充入n2，升溫至600～800℃保溫，再升溫至1400～1600℃保溫制得。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷，其特征在于，所述復(fù)合陶瓷的相對(duì)密度>99％，硬度為30～45gpa，斷裂韌性為8～15mpa·m1/2，陶瓷晶粒尺寸為1～2μm，復(fù)合陶瓷經(jīng)1500～1800℃熱處理1～4h后的重量變化率為0.2～0.8％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷，其特征在于，所述hfo2、co、w和無(wú)定型硼粉的純度均為99wt％以上，所述hfo2、co、w和無(wú)定型硼粉的粒徑均為0.1～2μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷，其特征在于，所述hfo2與無(wú)定型硼粉的摩爾比為(1～10)：(1～10)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的高性能的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于，包括如下具體步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高性能的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于，步驟s1中所述溶劑為乙醇、丙醇、甲醇或丙酮中的一種以上。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高性能的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于，步驟s1中所述混合的時(shí)間為10～24h，步驟s2中所述冷等靜壓的時(shí)間為5～15min。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高性能的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于，步驟s3中所述升溫至600～800℃的速率為5～10℃/min，升溫至1400～1600℃的速率為2～5℃/min，所述保溫的時(shí)間均為0.5～2h。

9.權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述的高性能的氧化鉿-氮化硼復(fù)合陶瓷在制備高溫部件中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于復(fù)合陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種高性能的氧化鉿?氮化硼復(fù)合陶瓷及其制備方法和應(yīng)用。該復(fù)合陶瓷組成為HfO<subgt;2</subgt;?xvol％BN?yvol％Co?zvol％W，其中，0<x≤15，0<y≤15，0<z≤15；該復(fù)合陶瓷是先將HfO<subgt;2</subgt;、Co、W和無(wú)定型硼粉的混合粉體模壓后，冷等靜壓制成坯體后置于管式爐中充入N<subgt;2</subgt;，升溫至600～800℃保溫，再升溫至1400～1600℃保溫制得。該復(fù)合陶瓷的相對(duì)密度>99％，硬度30～45GPa，斷裂韌性為8～15MPa·m<supgt;1/2</supgt;，陶瓷晶粒為1～2μm，經(jīng)1500～1800℃熱處理后的重量變化率為0.2～0.8％，可應(yīng)用在制備高溫部件中。

技術(shù)研發(fā)人員：張巖,倪博宇,彭濤,譚海龍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：紹興文理學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2