[发明专利]一种碳化硼基陶瓷复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种碳化硼基陶瓷复合材料的制备方法。

背景技术

碳化硼（B₄C）陶瓷由于具有低密度、超硬度、高熔点、耐化学腐蚀和良好的中子吸收能力等特点，在军工、机械、化工、航天航空和能源等行业具有广泛的用途。

目前的碳化硼产品主要使用无压烧结和热压烧结方法制备，无压烧结步骤包括混料、成型和烧结，其烧结温度一般在2000℃左右，经无压烧结制造的碳化硼制品的致密度低，而导致其技术性能指标不能满足各类产品的要求；另外在碳化硼陶瓷中添加第二相（如TiB₂、ZrB₂和SiC等）形成颗粒增强的B₄C基陶瓷复合材料，可增加碳化硼陶瓷的断裂韧性，然而由于其在烧结过程中的变形、开裂和高成本，使其在实际生产中也遇到了许多困难；热压烧结方法是制造高致密度碳化硼制品的主要方法，步骤包括混料和热压烧结；其烧结温度一般也在1800℃以上，而且热压法的成本较高，另外采用热压方法很难加工形状复杂的构件；以上问题使碳化硼陶瓷材料的推广应用受到了很大的限制。

发明内容

针对现有碳化硼陶瓷复合材料制备方法存在的问题，本发明提供一种碳化硼基陶瓷复合材料的制备方法，通过先将原料模压成形，再进行无压真空渗硅，在烧结温度低，烧结过程无形变的情况下，制成性能稳定的碳化硼陶瓷复合材料。

本发明的方法按以下步骤进行：

1、将B₄C粉末与粘结剂混合均匀，或者将B₄C混合粉体与粘结剂混合均匀，混合比例为粘结剂占B₄C粉末或B₄C混合粉体总重量的10~20%，制成粘结物料，将粘结物料进行过筛，选取粒度在24~60目间的颗粒作为模压物料；

2、将模压物料在50~300MPa的压力下模压成形，再在50~500℃干燥10~15h，获得B₄C-C素坯；

3、将B₄C-C素坯作为骨架，采用Si作为熔渗剂，进行真空熔渗，熔渗过程是先以3~10℃/min的速度升温至1350~1550℃，然后保温30~60min，获得碳化硼陶瓷复合材料。

上述的B₄C混合粉体的制备方法为：将碳源、B₄C粉末和水均匀混合，混合比例按碳源中的C元素与B₄C粉末的重量比为1:7~16，碳源中的C元素与水的重量比为1:8~16，然后烘干去除水分，制成B₄C混合粉体；上述的碳源是指炭黑粉末、石墨粉末、酚醛树脂或蔗糖。

上述的B₄C粉末粒度在0.5mm以下。

上述的粘结剂选用重量浓度为5~10%的聚乙烯醇水溶液、重量浓度为5~10%的羧甲基纤维素水溶液或重量浓度为5~10%的聚乙烯基吡咯烷酮水溶液。

上述的烘干去除水分是指在110~120℃条件下烘干10~12h。

上述方法中进行真空熔渗时的真空度≤100Pa。

上述的碳化硼陶瓷复合材料的相组成为B₄C、SiC、Si、B₁₃C₂和B_12.97Si_0.03C₂。

上述的碳化硼陶瓷复合材料的维氏硬度在18~25GPa，抗弯强度在260~370MPa，断裂韧性在3.6~4.8MPa·m^1/2，开口气孔率在0.1~0.5%，体积密度为2.4~2.6 g/cm³，相对密度为98.72~99.78%。

本发明的原理是采用具有反应活性的液态硅浸渗剂，在毛细管力的作用下渗入含碳的多孔碳化硼陶瓷素坯，并与其中碳反应生成碳化硅，浸渗剂填充素坯中的原有气孔，完成致密化过程。本发明的方法步骤简单、温度要求低，在较低制备成本的条件下能够获得致密度高的碳化硼陶瓷复合材料，在制备过程中样品尺寸变化<0.1%，属净尺寸烧结；并且本发明的方法能够生产各种形状复杂的产品，易于在碳化硼陶瓷材料制造领域推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例中制备的碳化硼陶瓷复合材料X射线衍射图，图中（a）为实施例1的产品，（b）为实施例2的产品，（c）为实施例3的产品，（d）为实施例4的产品，（e）为实施例5的产品；