[发明专利]低氧化硼复合材料

说明书

发明背景

本发明涉及低氧化硼(boron suboxide)复合材料。

具有接近或甚至超过金刚石的硬度值的合成超硬材料的开发一直 受到材料科学家的很大关注。具有70-100GPa的维氏硬度的金刚石是 已知的最硬材料，其次是立方氮化硼(Hv～60GPa)和低氧化硼(本文 中称作B₆O)。B₆O单晶在0.49N和0.98N载荷下经测定分别具有53GPa 和45GPa的硬度值，这些硬度值类似于立方氮化硼的硬度值[9]。

已知B₆O还可以是非化学计量的，即按B₆O_1-x存在(其中x为 0-0.3)。这样的非化学计量形式包括在术语B₆O中。这些材料的强共 价键和短原子间键长促成不寻常的物理和化学性能，例如大的硬度、 低的质量密度、高的热导率、高的化学惰性和优异的抗磨损性[1，2]。 在Ellison-Hayashi等的美国专利No.5,330,937中，报导了具有名 义组成B₃O、B₄O、B₆O、B₇O、B₈O、B₁₂O、B₁₅O和B₁₈O的低氧化硼粉末的 形成。Kurisuchiyan等(日本专利No.7,034,063)和Ellison-Hayashi 等(美国专利No.5,456,735)论述了潜在的工业应用，这些潜在的工 业应用包括在砂轮(grinding wheel)、磨料和刀具中的使用。

若干技术已用于制备低氧化硼并且包括诸如在适宜地高的压力和 高的温度条件下使单质硼(B)与氧化硼(B₂O₃)反应这样的工序[1]。在 Holcombe Jr.等的美国专利No.3,660,031中，提到了制备低氧化硼的 其它方法，例如用镁还原氧化硼(B₂O₃)，或者通过用单质硼还原氧化锌。 然而对于这些已知工序中的每一种，存在妨碍该材料在工业中的有用 性的缺陷。例如，用镁还原B₂O₃在低氧化物中产生镁和硼化镁污染物 的固溶体，而用硼还原氧化镁仅产生相对小的低氧化硼收率并且是非 常低效率的。Holcombe Jr.等(美国专利No.3,660,031)通过在1200 ℃-1500℃的温度下用单质硼还原氧化锌来制备B₇O。报导了这种材料 在100g载荷下的硬度值为38.2GPa，且密度为2.6g.cm^-3。没有论 及这种材料的断裂韧性。

Petrak等[3]研究了热压B₆O的力学和化学性能，并且报导了高至 34-38GPa的显微硬度值。Ellison-Hayashi等(美国专利5,330,937) 制得了添加有镁(约6％)的B₆O，这产生34GPa-36GPa的平均KHN₁₀₀值。

已尝试通过与其它硬质材料例如金刚石[4]、碳化硼[5]和cBN[6] 形成B₆O复合材料来提高B₆O的力学性能，特别是其断裂韧性。在极高 的温度和压力条件下制造含有金刚石和cBN的复合材料。意图形成伪 二元复合材料体系，在晶界处比纯B₆O更强。尽管对于该复合材料记 录了高的硬度值(Hv～46GPa)，但再次地，断裂韧性值不超过1.8 MPa.m^0.5。在这里对于B₆O-cBN复合材料获得最佳值。

Shabalala等(WO 2007/029102和[7])制得了具有铝化合物的 B₆O复合材料，所述铝化合物在晶界处产生硼酸铝相。获得了具有29.3 GPa相应硬度的约3.5MPa.m^0.5断裂韧性。存在于该复合材料中的铝相 是软的，并且虽然它们可以改善所得复合材料的断裂韧性，但它们无 助于该复合材料的总体硬度。此外，除晶态硼酸铝外，还形成富含氧 化硼、化学不稳定的非晶态相和微孔结构，从而进一步导致降低的硬 度[10，11]。

发明概述