[发明专利]一种碳化硼碳化硅复合陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合陶瓷材料及其制备方法，尤其涉及一种碳化硼碳化硅复合陶瓷及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。

背景技术

碳化硼(B₄C)是一种硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的超硬材料，具有高熔点、低密度、优异的耐磨性、极好的化学稳定性和高的中子吸收能力，在机械、军事防护、核电站、化工和航天领域均有广泛的应用。但是B₄C是共价键很强的陶瓷材料，共价键占到93.9%，而且其塑性差，晶界移动阻力大，固态时表面张力很小，因此碳化硼烧结非常困难。此外，碳化硼陶瓷的断裂韧性和强度较低，这些因素阻止了碳化硼材料的进一步发展。

研究表明，减小粉末粒径和加入第二相物质能提高B₄C烧结性能和机械性能。碳化硅拥有轻的质量，高的硬度和良好的机械性能。因此，碳化硅作为第二相加入碳化硼陶瓷中，能在保持碳化硼轻质特点的同时提高其机械性能。但是，碳化硼和碳化硅陶瓷都是极难烧结的材料，而且获取细小粒径的碳化硼、碳化硅粉体十分困难。这导致碳化硼碳化硅陶瓷烧结温度较高、成本昂贵。目前所用的生产碳化硼碳化硅复合陶瓷的方法，如添加金属助烧剂和渗硅反应烧结虽然能明显降低烧结温度，但其制品硬度低，不耐高温，且性能不稳定，不易在精密结构部件中应用。

如中国发明专利申请（申请号：200310107762.3 申请日：2003-12-19）公开了液相烧结复合碳化物陶瓷材料及其陶瓷制品的制造方法，该方法由下列原料按重量百分比混合而成：碳化硅粉体占2-92、碳化硼粉体占2-92、Al-Y系添加剂占5-25、CeO₂或La₂O₃占0.5-3.0。本发明按常规方法将复合碳化物陶瓷材料进行混料、制粉、和成型；然后，将粉末压胚置于真空烧结炉中，先抽真空，再用氩气冲洗三次，升温烧结，升温速率为2-10℃/min，升温到1700-2000℃后，保温150-500min，烧结在真空或流动的氩气中进行。

如中国发明专利申请（申请号：200610042047.X申请日：2006-01-18）公开了一种碳化硼基复合防弹陶瓷及其制备方法，该方法组分如下：碳化硼85-95份，碳化硅晶须1-15份，硅粉2-15份，硼化物1-5份，均为重量份。将碳化硼粉体、碳化硅晶须、硅粉和硼化物以无水乙醇为介质，球磨混合，真空条件下烘干，制备混合粉体；加入到石墨磨具中，热压烧结，温度为1700-2000℃，压力为30-40MPa。

如中国发明专利申请（申请号：201010547748.5 申请日：2010-11-17）公开了一种碳化硼基陶瓷复合材料的制备方法，按以下步骤进行：（1）将碳化硼粉与粘结剂混合均匀，或将碳化硼粉混合体与粘结剂混合均匀，混合比例为粘结剂占碳化硼粉或碳化硼混粉体总重量的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的压力下模压成型，再在50-500℃干燥10-15h后获得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，熔渗过程先是以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。

以上专利涉及的制备方法中，如采用Si作为熔渗剂进行真空熔渗得到的制品中残留大量的Si单质，降低了制品的硬度以及其高温机械性能，此外，采用这种方法制备的制品中，两相的分布不均匀，导致制品的性能不稳定；而液相烧结得到的制品，晶粒较大，硬度较低高温机械性能差。这两种方法得到的制品硬度低，不耐高温，且性能不稳定，只能满足日常应用，不易用于精密结构工程中。

发明内容

    本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种碳化硼碳化硅复合陶瓷及其制备方法，该碳化硼碳化硅复合陶瓷具有硬度高、密实度高、高温机械性能好的优点。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种碳化硼碳化硅复合陶瓷，它由碳化硼、碳粉和硅粉三元混合粉体经过机械合金化后，再由反应热压技术烧结而成，按重量百分比计所述的三元混合粉体中包括碳化硼粉体50%-90%，碳粉15%-3%，硅粉35%-7%，所述碳粉和硅粉的摩尔比为0.8-1.2。

所述碳化硼碳化硅复合陶瓷中碳化硼与碳化硅的质量比为9:1-1:1（所述碳化硼碳化硅复合陶瓷中碳化硼的质量百分比为50%-90%）。