[发明专利]低氧化硼复合材料

说明书

发明背景

本发明涉及一种低氧化硼复合材料及其制备方法。

金刚石首次实验室合成引发大量工作来设计和研发具有接近乃至改善金刚石性能的组合性能的材料。这些超硬材料最广为人之的是立方体氮化硼(cBN)。同样已知的是富硼化合物提供此类应用的优良备选物。它们产生一大类耐火材料，其具有与其短原子间键长和强烈共价特性有关的独特晶体结构和重要物理及化学性能。结构基于α-菱形硼结构的富硼相包括碳化硼和低氧化硼(名义上为B₆O)，其将高硬度与低密度和化学惰性结合，使得它们可用作磨料和其它高磨损应用[1]。

低氧化硼(B₆O)结构，空间群由位于菱形晶胞顶点的八个B₁₂二十面体单元构成。该结构可以看作是B₁₂二十面体的扭曲立方紧密堆积(ccp)。两个O原子位于沿[111]菱形方向的间隙中。

尽管难以合成具有高结晶度的纯材料，但是文献中已经广泛记载低氧化硼(B₆O)的合成及其性能的说明。在环境压力或接近环境压力下形成的低氧化硼材料通常是缺氧的(B₆O_x，x＜0.9)。它们同样具有低结晶度和非常小的晶粒尺寸。合成B₆O期间施加的高压可以显著地增加结晶度、氧化学计量量和产物的晶体尺寸[1]。虽然低氧化硼以标称组成B₆O的形式被记载，但是广泛接受的是其为非化学计量的。为简便起见，本说明书中使用标称化学式B₆O。

US专利No.3,660,031中公开一种制备低氧化硼的方法。根据该公开内容，低氧化硼通过在1200℃-1500℃用元素硼还原氧化锌形成。据报告其具有化学式B₇O，并且还特征在于在100g载荷下其具有38.20GPa的平均硬度值，和2.60g/cm³的密度。并未报告该材料的断裂韧性。

US专利No.3,816,586也公开一种制造低氧化硼的方法。根据该公开内容，低氧化硼通过在适合的温度和压力下热压元素硼和氧化硼的混合物形成。分析时，该低氧化硼产物据称具有给定的80.1wt％的硼和19.9wt％的氧，相当于化学计量的B₆O。还报告其具有2.60g/cm³的密度和在100g载荷下30GPa的Knoop硬度(KNH₁₀₀)。并未报告该材料的断裂韧性。

大量研究已经表明当低氧化硼材料具有极高硬度时，其断裂韧性极低，即该材料是脆性的。根据Itoh等的文献[2]，已经在高温(1400℃-1800℃)和高压(3-6GPa)下制备B₆O密实物。这种B₆O粉末据报告已经由元素硼和氧化硼加以合成。分析时，该B₆O密实物据报告具有31-33GPa的平均硬度和极低断裂韧性。Itoh等[3，4]和Sasai等[5]还分别尝试使用其它硬质材料，例如cBN[3]、碳化硼[4]和金刚石[5]来改善B₆O的机械性能，特别是断裂韧性。这些B₆O复合材料的硬度是相当大的，但是断裂韧性据报告仍然较低，B₆O-金刚石复合材料具有约1MPa.m^0.5的断裂韧性，B₆O-cBN复合材料具有约1.8MPa.m^0.5的断裂韧性，和B₆O-B₄C复合材料具有约1MPa.m^0.5的断裂韧性。

本发明的一个目的是提供一种生产B₆O复合材料的方法，该B₆O复合材料与先前报告的B₆O复合材料相比，具有相当大的硬度以及更好的断裂韧性。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种低氧化硼复合材料，其包括分布在基料相中的颗粒状(particulate)或晶粒状(granular)的低氧化硼，所述基料相包括M_xB_yO_z，其中

M为金属；

X为4-18；

Y为2-4；

Z为9-33。

该金属优选选自包括铝、锆、钛、镁和镓的组，该金属特别是铝。

该低氧化硼优选构成大于70wt％，特别是约85-约97wt％的复合材料。