本發(fā)明屬于復(fù)相陶瓷，具體涉及一種包含b4c的復(fù)相陶瓷及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、結(jié)構(gòu)陶瓷材料以其高熔點、高硬度、高剛性、低密度、抗腐蝕和抗沖擊等優(yōu)異力學(xué)性能著稱，因此在能源、冶金、航空航天、現(xiàn)代通信、防彈裝甲等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間，已成為現(xiàn)代工業(yè)體系中不可或缺的關(guān)鍵材料。在眾多結(jié)構(gòu)陶瓷材料中，碳化硼（b4c）無疑是最具應(yīng)用潛力的材料之一。在b4c中，硼與碳的共價鍵比例高達(dá)93%以上，特殊的成鍵特征使其具有極高的硬度（維氏硬度>30gpa），其硬度值僅低于金剛石和立方氮化硼。同時還具有高熔點（2427℃），低密度（2.52g·cm-3）、高彈性模量（450~470gpa）、以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、截面中子吸收性、抗沖擊性能和耐磨性能等優(yōu)良性能。但極高的共價鍵比例也使得其只有在2000℃以上時碳化硼晶粒才會發(fā)生晶界和體積擴散以加速致密化，因此碳化硼的極難燒結(jié)致密化使其在工業(yè)應(yīng)用上受到了一定程度的限制。

2、現(xiàn)有研究表明，陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)對其力學(xué)性能會產(chǎn)生重要影響，包括第二相分布的均勻性、致密度、晶粒尺寸和晶界等。在反應(yīng)燒結(jié)過程中，粗大的原料顆粒很容易造成最終陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生顆粒團(tuán)聚，這些團(tuán)聚現(xiàn)象不僅會導(dǎo)致復(fù)相陶瓷中第二相的分布不均，而且使得材料力學(xué)性能波動顯著增大。目前，在陶瓷材料燒結(jié)過程中，通過施加外部恒定壓力以實現(xiàn)陶瓷致密化，但在燒結(jié)后期恒定壓力無法繼續(xù)提供充足的晶界擴散驅(qū)動力以致陶瓷內(nèi)氣孔難以閉合，無法使陶瓷材料的致密性進(jìn)一步提高。

3、因此，有必要提供一種第二相均勻分布的b4c基復(fù)相陶瓷材料的制備方法以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種包含b4c的復(fù)相陶瓷及其制備方法。本發(fā)明中，通過壓力變化循環(huán)燒結(jié)制備得到第二相分布均勻的復(fù)相陶瓷，并且該復(fù)相陶瓷晶粒細(xì)小、微觀結(jié)構(gòu)均勻，具有較高的硬度及斷裂韌性。

2、在第一方面，本發(fā)明提供了一種包含b4c的復(fù)相陶瓷的制備方法，包括如下步驟：將b4c粉、硼粉、過渡金屬碳化物粉末混合，經(jīng)球磨、干燥后，得到前驅(qū)體材料；將前驅(qū)體材料置于真空環(huán)境中依次進(jìn)行預(yù)燒結(jié)、壓力變化循環(huán)燒結(jié)和卸壓降溫，得到包含b4c的復(fù)相陶瓷；預(yù)燒結(jié)過程中由室溫升至第一溫度，再升至第二溫度，且維持第一壓強；壓力變化循環(huán)燒結(jié)步驟具體包括：在第二溫度下，將第一壓強加壓至第二壓強，再減壓至第一壓強，并重復(fù)執(zhí)行；多次加壓-減壓循環(huán)處理后，將第二溫度升溫至第三溫度，同時加壓至第二壓強，隨后保溫?zé)Y(jié)。

3、本發(fā)明中，以b4c粉、硼粉、過渡金屬碳化物粉末為原料，在特定溫度下采用多次加壓-減壓循環(huán)燒結(jié)技術(shù)，制備得到第二相（二硼化物）分布均勻、密度低、硬度高、強度高、韌性強、力學(xué)性能分布均勻的包含b4c的復(fù)相陶瓷材料。具體地，采用二硼化物為主要增韌相，將恒定壓力調(diào)整為動態(tài)壓力，通過連續(xù)壓力變化破壞陶瓷粉體團(tuán)聚，同時為粉體燒結(jié)提供了更大的燒結(jié)驅(qū)動力，從而加快坯體的致密化；顯著提升了第二相分布的均勻性，有效防止了反應(yīng)燒結(jié)過程中顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生。

4、需要說明的是，壓力燒結(jié)可以在現(xiàn)有的常規(guī)設(shè)備中進(jìn)行，例如可以在熱壓爐或者放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行，并且熱壓爐或者放電等離子燒結(jié)設(shè)備帶有液壓控制系統(tǒng)，其可以對壓力燒結(jié)的壓強進(jìn)行調(diào)節(jié)且調(diào)節(jié)范圍較大，因此，本發(fā)明中的方法具有周期短、重復(fù)性好、步驟簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)勢。

5、在一些實施方案中，在前驅(qū)體材料的制備過程中，以質(zhì)量百分比計，b4c粉的含量為15~85%，硼粉的含量為7~45%，過渡金屬碳化物粉末的含量為7~50%。

6、在一些實施方案中，在前驅(qū)體材料的制備過程中，過渡金屬碳化物粉末包括zrc、tic、cr3c2、mo2c、tac、nbc、wc、vc或hec中的一種或多種。

7、在一些實施方案中，在前驅(qū)體材料的制備過程中，b4c粉的純度為99.9%，粒徑為0.5~2μm；硼粉的純度為95%，粒徑為0.5~2μm；過渡金屬碳化物粉末的純度為99.9%，粒徑為0.1~3.5μm。

8、本發(fā)明中，分別選擇純度較高的b4c粉、硼粉和過渡金屬碳化物粉末作為原料，能避免雜質(zhì)的生成，從而進(jìn)一步提高制備得到的復(fù)相陶瓷的性能；通過控制b4c粉、硼粉和過渡金屬碳化物粉末的粒徑在特定的范圍內(nèi)，能使物料混合均勻，便于在燒結(jié)過程中充分反應(yīng)，顯著提升制備得到的復(fù)相陶瓷的性能。

9、在一些實施方案中，在前驅(qū)體材料的制備過程中，球磨步驟具體包括：向混合后的物料中加入有機溶劑和球磨介質(zhì)，并控制球料質(zhì)量比為（0.5~1.5）:1，球磨6~12h；其中，有機溶劑包括無水乙醇，球磨介質(zhì)包括zro2。

10、本發(fā)明中，通過球磨處理，使物料進(jìn)一步均勻分散混合，便于在燒結(jié)過程中物料進(jìn)行充分反應(yīng)，更進(jìn)一步提升制備得到的復(fù)相陶瓷的性能。

11、在一些實施方案中，在前驅(qū)體材料的制備過程中，干燥步驟具體包括：將球磨后得到的懸濁液在溫度為50~70℃的條件下，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)0.5~1.5h，繼續(xù)在溫度為60~80℃的條件下，烘干10~14h。

12、在一些實施方案中，預(yù)燒結(jié)過程中由室溫升溫至第一溫度的升溫速率為140~160℃/min，再升溫至第二溫度的升溫速率為90~110℃/min，第一壓強為10~30mpa。

13、在一些實施方案中，第一溫度為500~700℃，第二溫度為1200~1400℃。

14、在一些實施方案中，第二壓強為55~65mpa，加壓、減壓的時間均為1~3min，加壓-減壓循環(huán)處理的次數(shù)為3~12次；將第二溫度升溫至第三溫度的升溫速率為90~110℃/min，并且第三溫度為1900~2000℃；保溫?zé)Y(jié)步驟具體包括：保溫時間為3~10min。

15、在第二方面，本發(fā)明提供了一種包含b4c的復(fù)相陶瓷，該復(fù)相陶瓷是采用上述任一項制備方法制備得到。

16、在一些實施方案中，復(fù)相陶瓷的維氏硬度（hv1）為31~40gpa，斷裂韌性為4.1~6.0mpa·m1/2。

17、本發(fā)明的有益效果是：區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明以b4c粉、硼粉、過渡金屬碳化物粉末為原料，在特定溫度下采用多次加壓-減壓循環(huán)燒結(jié)技術(shù)，制備得到第二相（二硼化物）分布均勻、密度低、硬度高、強度高、韌性強、力學(xué)性能分布均勻的包含b4c的復(fù)相陶瓷材料，另外，本發(fā)明中的制備方法簡單、周期短、重復(fù)性好、易于實現(xiàn)，因此，具有良好的實際應(yīng)用價值。

技術(shù)特征：

1.一種包含b4c的復(fù)相陶瓷的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在所述前驅(qū)體材料的制備過程中，以質(zhì)量百分比計，所述b4c粉的含量為15~85%，所述硼粉的含量為7~45%，所述過渡金屬碳化物粉末的含量為7~50%。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在所述前驅(qū)體材料的制備過程中，所述過渡金屬碳化物粉末包括zrc、tic、cr3c2、mo2c、tac、nbc、wc、vc或hec中的一種或多種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在所述前驅(qū)體材料的制備過程中，所述b4c粉的純度為99.9%，粒徑為0.5~2μm；所述硼粉的純度為95%，粒徑為0.5~2μm；所述過渡金屬碳化物粉末的純度為99.9%，粒徑為0.1~3.5μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在所述前驅(qū)體材料的制備過程中，所述球磨步驟具體包括：向混合后的物料中加入有機溶劑和球磨介質(zhì)，并控制球料質(zhì)量比為（0.5~1.5）:1，球磨6~12h；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，在所述前驅(qū)體材料的制備過程中，所述干燥步驟具體包括：將球磨后得到的懸濁液在溫度為50~70℃的條件下，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)0.5~1.5h，繼續(xù)在溫度為60~80℃的條件下，烘干10~14h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述預(yù)燒結(jié)過程中由室溫升溫至第一溫度的升溫速率為140~160℃/min，再升溫至第二溫度的升溫速率為90~110℃/min，所述第一壓強為10~30mpa。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述第一溫度為500~700℃，所述第二溫度為1200~1400℃。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述第二壓強為55~65mpa，所述加壓、減壓的時間均為1~3min，所述加壓-減壓循環(huán)處理的次數(shù)為3~12次；

10.一種包含b4c的復(fù)相陶瓷，其特征在于，所述復(fù)相陶瓷是采用權(quán)利要求1-9中任一項所述的制備方法制備得到。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種包含B<subgt;4</subgt;C的復(fù)相陶瓷及其制備方法，屬于復(fù)相陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。該復(fù)相陶瓷的制備方法包括如下步驟：將B<subgt;4</subgt;C粉、硼粉、過渡金屬碳化物粉末混合，經(jīng)球磨、干燥后，得到前驅(qū)體材料；將前驅(qū)體材料置于真空環(huán)境中依次進(jìn)行預(yù)燒結(jié)、壓力變化循環(huán)燒結(jié)和卸壓降溫，得到包含B<subgt;4</subgt;C的復(fù)相陶瓷。本發(fā)明以B<subgt;4</subgt;C粉、硼粉、過渡金屬碳化物粉末為原料，在特定溫度下采用多次加壓?減壓循環(huán)燒結(jié)技術(shù)，制備得到第二相分布均勻、密度低、硬度高、強度高、韌性強、力學(xué)性能分布均勻的包含B<subgt;4</subgt;C的復(fù)相陶瓷材料，另外，本發(fā)明中的制備方法簡單、周期短、重復(fù)性好、易于實現(xiàn)，因此，具有良好的實際應(yīng)用價值。

技術(shù)研發(fā)人員：鄒冀,李鈺瀟,劉晶晶,王為民,傅正義
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖北隆中實驗室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6