[发明专利]低温烧结硼化物基陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硼化物基陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

硼化物陶瓷材料主要包括硼化锆(ZrB₂)及硼化铪(HfB₂)。这类材料不仅具有高熔点、高硬度等特点，同时具有优良的导电、导热、中子控制能力及与熔融金属的化学惰性等特点，不仅在电极材料、铸造耐高温材料、高温结构材料领域得到了广泛的应用，同时还有望成为下一代新型飞行器、发动机热端等各种关键部位或部件的候选材料之一。硼化物陶瓷材料及其结构在高温、高过载等极端环境下的性能表征和抗氧化烧蚀行为研究是这种材料得以运用不可逾越的关键技术。而开展材料的设计、制备又是工作的起点和重点，只有在获得具有良好组织、结构以及性能的制备工艺前提下，才能保证硼化物材料安全高效的运用于实际环境中，同时也为其广泛使用提供可能。

早在20世纪60年代末和70年代初，美国Air Force联合Manlabs公司就开展了二硼化物的相关研究。他们利用区域精炼技术(Floating zone refining)和高压热压烧结技术(High-pressure hot pressing)分别制备了单晶和多晶材料。随后，由于航空航天应用的需要，国内外科技工作者也相继开展了硼化物陶瓷材料的烧结、制备与性能研究。目前，国内外研究的重点和热点是细小的碳化硅颗粒、晶须或是晶片作为第二相引入到硼化物中形成一种陶瓷基复合材料。

硼化物为六方晶系C32型准金属结构化合物，原子间结合为较强的共价键结合，这种强键性决定了硼化物材料的高熔点、高硬度和化学稳定性，同时也使得这种陶瓷材料非常难于烧结。另外目前市面上销售的硼化物粉体表面均覆集一定量的氧化物(如氧化硼B₂O₃、氧化锆ZrO₂、氧化铪HfO₂等)，这些氧化物的存在降低了硼化物体积扩散及晶界扩散速率，从而进一步降低了材料的可烧结性能。

为克服上述缺陷，传统的做法是在高温、高压下进行烧结制备硼化物及其复合材料，其中烧结温度大多在2000℃以上，烧结压力大于100MPa。这样高的温度和压力对烧结设备提出了较高的要求，同时长时间使用也会减少设备的使用寿命，提高材料的生产成本，不利于工业化推广。另外由于烧结温度过高会导致陶瓷材料内部晶粒异常长大，引起内应力及微裂纹，从而严重影响材料的力学性能。因此，过高的烧结温度或压力一定程度上限制了硼化物陶瓷材料的发展和运用，在较低温度条件下制备出组织致密、性能良好的硼化物基陶瓷材料一直是广大科研工作者孜孜以求的目标。

目前，在ZrB₂-SiC和HfB₂-SiC材料体系中，人们选用金属烧结助剂如Fe、Ni、Cu等通过液相烧结方法在较低温度下成功制备出了相对密度较高的陶瓷基复合材料。但是金属烧结助剂的加入给材料的晶界处引入了低温软相，这种软相在高温下很容易软化从而急剧降低了材料的高温性能，这对材料在高温条件下的使用是及其不利的。另外，在此基础上，意大利和美国研究者采用AlN、Si₃N₄等陶瓷型烧结助剂来降低硼化物陶瓷材料的烧结温度，试图在低的温度下制备复合陶瓷材料。这些陶瓷材料的加入虽然一定程度上降低了硼化物基陶瓷材料的烧结温度，但是，由于这些烧结助剂熔点较高，硼化物基陶瓷材料的烧结温度仍然保持在1870℃以上。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中硼化物基陶瓷材料烧结温度及压力过高、烧结致密度低的问题，提供一种低温烧结硼化物基陶瓷材料及其制备方法。

本发明中低温烧结硼化物基陶瓷材料按体积百分比由60％～94％的硼化物粉末、5％～30％的碳化硅粉末和1％～10％的添加剂制成，其中添加剂为氧化铝与氧化钇混合粉末，氧化铝粉末和氧化钇粉末的摩尔比为5:3。

所述的硼化物粉末为硼化锆粉末或硼化铪粉末。所述的碳化硅粉末为碳化硅晶须、碳化硅颗粒或碳化硅晶板。