[发明专利]一种多梯度密度碳化硼陶瓷制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于多种粒度分布制备多梯度密度碳化硼陶瓷方法，属于高性能结构及功能陶瓷材料领域，属于防护、过滤材料技术领域。

背景技术

碳化硼材料为非金属，难熔、极难烧结的化合物，其硬度仅次于金刚石及立方氮化硼的超硬人造材料之一。碳化硼材料具有密度低、高硬度、化学稳定性好、高耐磨损、高耐热冲击、高的热中子吸收等性能，在现代制造、核能、国防军工、冶金、精细化工等领域得以广泛的应用。

基于碳化硼材料具有的低密度、高硬度、高弹性模量等性能，适用于对装备重量及防护要求严苛的航空、航天装备和人体防弹的首选和最有发展潜力的材料，目前，美国、欧洲等发达国家已将碳化硼陶瓷材料应用高防护要求的飞机、人体防弹领域。同时，碳化硼化学性质稳定、抗热震性能好、中子吸收性能优异，是核能领域控制系统、安全系统、核废料处理的关键材料；还是有色金属精炼的过滤材料，其应用领域广泛，应用前景广阔。

尽管国内外对碳化硼陶瓷材料的烧结技术已很成熟，但是国内对制备多梯度密度碳化硼陶瓷仍存在技术上的难题，特别是多梯度密度结合和可控技术方面。

发明内容

本发明针对国内对制备多梯度密度碳化硼陶瓷难题和多密度结合和可控技术，提供一种多梯度密度碳化硼陶瓷制备方法。其原理是基于碳化硼共价键达到90%以上，碳化硼陶瓷极难烧结，特别是多梯度密度碳化硼陶瓷更是存在较大技术难题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种多梯度密度碳化硼陶瓷制备方法，其特征在于，步骤如下：1）造粒：将不同粒度分布的陶瓷粉末分别与水、分散剂按比例混合，加入造粒剂造粒，得到造粒料，陶瓷粉末的粒度分为两种：高密度层D₃≤8μm、D₅₀=2±0.5μm、D₉₄≥0.3μm，低密度层D₉₄≥8μm，D₃≤200μm、D₅₀=106±9μm、D₉₄≥45μm；2）坯体预成型：将造粒料分层添加到模具中进行坯体预成型，预成型的顺序是从高密度层到低密度层，预成型的压力范围为：高密度层的预成型压力≤80MPa、低密度层预成型压力≤30Mpa；3）热压烧结：将坯体按高密度层朝向动压头的方向放入石墨或碳-碳材料制作的模具中，装好的模具放入真空热压烧结炉中进行热压烧结。

进一步地，陶瓷粉末的粒度还有一种，其粒度为：中密度层D₃≤50μm、D₅₀=15±2.5μm，对应的中密度层的预成型压力≤50MPa。

进一步地，坯体预成型的方法具体为：将适量高密度层造粒料均匀添加到预成型模具中，施以≤80MPa的压力使其预成型，将适量的中密度层的造粒料均匀填充在高密度预成型坯体上，施以≤50MPa的压力使其预成型在高密度层坯体上，将适量的低密度层的造粒料均匀填充在中密度层坯体上，施以≤30MPa的压力使其预成型在中密度层坯体上，然后将预成型坯体脱模后固化，得到一定强度的坯体。

进一步地，烧结升温过程中压头预加压力≥3MPa，采用单向加压烧结，热压烧结温度1850～2300℃，以工业纯氩气为保护性气体，烧结时压头压力10-35MPa，保温保压10～60分钟，烧结完毕后，泄压、关闭加热电源、循环水自然降温冷却。

进一步地，造粒具体步骤为：将陶瓷粉末、钙和镁离子含量低于50ppm的水、分散剂混合，以碳化硼陶瓷棒为磨介，在磨机中混合1～5小时，制成颗粒分散良好的料浆；在料浆中再加入造粒剂，继续混合1-5小时，制备适合造粒的浆料，通过造粒机对浆料进行造粒，得到粒度分布均匀，颗粒团聚体呈球形，流动性较好的造粒料。

进一步地，所述陶瓷粉末中碳化硼含量≥94.5%、总硼+总碳≥98%，所述碳化硼的硼碳原子比为3.15—4.15之间。

进一步地，所述造粒剂为纤维素，其添加量为总料重量的2～20%。

进一步地，所述造粒料的休止角为≤39°