[发明专利]一种含锆的碳化硼基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硼基复合材料及其制备方法，特别是指一种含锆的碳化硼基复合材料及其制备方法，属于金属陶瓷复合材料技术领域。

背景技术

碳化硼(B₄C)陶瓷因密度轻(2.4-2.5g/cm³)、熔点高(>2400℃)、维氏硬度大(>27GPa)、化学性能稳定以及中子吸收截面高，在轻质刹车装置、轻质防弹装甲、卫星抗挠曲部件、核屏蔽部件、切割研磨部件等方面应用潜力巨大。特别是由于轻质高硬尤其适合航空(如直升机)装甲和防弹衣等以减重为首要前提的装甲系统。但是，影响碳化硼广泛使用的原因有三：

一是碳化硼的烧结温度高，致密化困难。由于共价键结合，热压烧结温度达到熔点90％，仍然只有95％以上致密度；

二是韧性比较低，常温下断裂韧性约为2-4MPa·m^1/2，受冲击后粉碎性破裂，在防弹上不能抗多发弹打击且可能对未受冲击部位带来破坏；

三是强度低，WC-Co复合材料(硬质合金)的抗弯强度最低都在1000MPa以上，而已报道的碳化硼陶瓷的抗弯强度大部分小于800MPa。如K.A.Schwetz(J.Solid State Chemistry，1997,133:178-181)改变各种参数，采用高温热等静压烧结得到的碳化硼，弯曲强度小于600MPa，V.Skorokhod(J.Material Science Letter,2000,19:237-239)利用热压烧结方法，通过添加少量的TiO₂和C粉，制得的含TiB₂的B₄C陶瓷四点抗弯强度最高是621MPa。专利CN1582264A-碳化硼质烧结体及其制造方法报道，通过优化成分，采用无压烧结得到的含TiB₂的B₄C陶瓷四点抗弯强度可提高到700MPa左右。

因此，克服碳化硼的上述三个缺点，提高强度、降低烧结温度和增加韧性是目前国内外碳化硼陶瓷研究的热点和难点。对于轻质抗弹用的碳化硼，除硬度要求高以外，为提高吸能、抗多发弹打击和机械加工的需要，韧性指标同样很重要。

碳化硼增韧的方法有自增韧(相变增韧、弥散析出增韧)和复合增韧两类，自增韧是利用烧结和热处理工艺得到内部自生的增韧相，增韧机理是通过韧性相的塑性变形吸能，降低裂纹尖端的应力集中，阻止裂纹扩展。目前碳化硼自增韧方面由于第二相元素的选择复杂，研究报道少，增韧潜力有限。研究比较多的是制备时引入异质组元即复合增韧，异质组元可以是连续纤维、短纤维或晶须、颗粒和连续金属。

根据增韧组元不同其增韧机理亦有区别。

纤维增韧情况下，纤维既能承载，又可阻碍裂纹的扩展，通过纤维桥联、裂纹偏转、纤维拔出机制消耗能量，增加材料韧性，纤维增韧碳化硼的缺点是成本高，均匀制备有困难。

颗粒增韧常采用粉末烧结方法制备样品，颗粒尺度在微米级或纳米级。其增韧机理是颗粒和微裂纹作用导致的颗粒诱导开裂耗能、裂纹偏转和裂纹桥联耗能增韧。研究较多的增韧颗粒(或粘接剂)有C、Ti、ZrO₂、SiC、TiB₂、Si等，缺点是增韧效果有限，如专利CN1582264A-碳化硼质烧结体及其制造方法报道的含TiB₂的B₄C陶瓷，其断裂韧性只有2.8MPa·m^1/2。

连续金属增韧碳化硼是采用溶渗法在碳化硼骨架里引入高含量连续韧性金属。这种工艺制备的B₄C-Metal是双连续相复合结构，B₄C颗粒烧结成互连的整体，溶渗的金属也是连续的整体，复合材料整体硬度高，而韧性大大提高，抗冲击性能不降低，例如国外公开报道的B₄C-MgSi的抗弹指数η平均为8，不低于纯烧结碳化硼(N Frage,Reaction-bonded Boron-Carbide/Magnesium-Silicon Composites,Applied Ceramic Technology,2014,11:273-279)。缺点是，制备过程较为复杂，对设备要求较高，连续增韧金属只能采用熔点较低的金属，因此不能在高温条件下使用。