[发明专利]一种碳化硅／硼化钨复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料领域，具体为一种碳化硅／硼化钨复合材料及其制备方法，通过原位合成板条状钨二硼五(W₂B₅）增强碳化硅（SiC）基复合材料。

背景技术

碳化硅(SiC)是一种较早为人们所研究并获得广泛应用的难熔非氧化物陶瓷。SiC具有极好的高温强度、优良的耐热、耐磨性，化学稳定性及半导体特性，因而在原子能、燃汽轮机、航天航空、机械、化工和电子技术等许多领域都有广泛的应用前景。然而，纯SiC极难致密，文献1：JS Nadeau,Am.Ceram.Soc.Bull.52,70(1973)，报道了纯SiC粉末的热压需在2500℃、50MPa的高温高压下才能获得接近理论密度的烧结体。如此高的烧结温度极大地提高了碳化硅的生产成本，限制了其应用，通常需要添加烧结助剂来实现材料致密化。碳化硅的硬度极高，且导电性不佳，很难加工成型，因此加工成本极高，这也限制了其应用。

钨二硼五（硼化钨W₂B₅）是W-B体系内非常重要的一种中间相，其具有高的熔点（2365℃），高的硬度（27GPa），高的电导率（3.03×10⁶Ω^-1m^-1）。然而，由于单相W₂B₅的合成非常困难，对其性能的报道还是非常少见的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种力学性能好、制备工艺条件容易控制、操作简单、成本低的碳化硅/硼化钨复合材料及其制备方法，解决单相碳化硅难致密、难以加工成型、导电性不佳，以及单相硼化钨的合成困难，导致碳化硅和硼化钨的优越性无法得到充分发挥等问题。

本发明的技术方案是：

一种碳化硅／硼化钨复合材料，该复合材料由钨二硼五增强相和碳化硅基体组成，钨二硼五增强相均匀弥散地分布于碳化硅基体中，其中碳化硅与钨二硼五的摩尔比为（10～20）:（2～8）。

所述的碳化硅与钨二硼五的优选摩尔比为13:4。

所述的碳化硅基体的晶粒尺寸0.5～2微米，钨二硼五的形貌为板条状晶粒，其长径比为3～14，且晶粒之间形成互锁结构。

所述的碳化硅／硼化钨复合材料的制备方法，根据所要获得的碳化硅与钨二硼五摩尔比，采用碳化钨WC粉、碳化硼B₄C粉和硅Si粉，或者碳化钨WC粉、碳化硼B₄C粉、硅Si粉和碳化硅SiC粉、钨二硼五W₂B₅粉之一种或两种为原料，其中WC：B₄C：Si的摩尔比为8:5:13；原料粉经物理机械方法混合8～24小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10～20MPa，时间5～20分钟；在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为1～20℃/分钟，烧结温度为1600～2000℃、烧结时间为0.5～3小时、烧结压强为10～300MPa。

所述的碳化硅／硼化钨复合材料的制备方法，当碳化硅与钨二硼五的摩尔比为13:4时，采用碳化钨WC粉、碳化硼B₄C粉和硅Si粉为原料，其中WC：B₄C：Si的摩尔比为8:5:13；原料粉经物理机械方法混合8～24小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10～20MPa，时间5～20分钟；在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为1～20℃/分钟，烧结温度为1600～2000℃、烧结时间为0.5～3小时、烧结压强为10～300MPa。

所述的原料粉原位热压发生的化学反应为：

8WC＋5B₄C＋13Si→13SiC＋4W₂B₅。

所述的碳化钨粉粒度范围为0.5～10微米，碳化硼粉的粒度范围为1～10微米；硅粉粒度范围为200～400目。

所述的烧结方式为热压或热等静压烧结。

所述的惰性气体为氩气或氦气。

所述的物理机械方法混合为在聚氨酯球磨罐中干混或在酒精介质中球磨。

本发明的优点是：

1、本发明碳化硅／硼化钨复合材料具有高硬度、高强度和高韧性等特点，同时复合材料具有良好的导电性，可以采用线切割的方式进行加工，降低了加工成本。该复合材料不仅可以作为原子能、燃汽轮机、航天航空、化工和机械刀具等备选结构材料，也可以考虑作为一种导电陶瓷使用。