[发明专利]反应烧结碳化硼陶瓷复合材料的凝胶注模成型制备方法

说明书

一种反应烧结碳化硼陶瓷复合材料的凝胶注模成型制备方法：1)：将间苯二酚、甲醛、碳酸钠和去离子水混合，加入B₄C粉末，形成B₄C混合浆料；2)：将混合浆料，真空除气注模密封；水浴中进行溶胶凝胶化，并老化4～50h；常压干燥后高温碳化，制得B₄C/C素坯；3)：在B₄C/C素坯上放置硅，进行高温熔渗制得烧结体，冷却去除多余的硅，获得反应烧结碳化硼陶瓷复合材料。本发明方法形成素坯同时引入介孔碳，获得结构均匀且孔结构可控的B₄C/C素坯；本发明的B₄C/C素坯强度为10～50MPa，利于机械加工，可制备复杂形状产品；本发明的反应烧结碳化硼陶瓷复合材料的维氏硬度17～26GPa，抗弯强度255～484MPa，断裂韧性3～5MPa·m^1/2。

技术领域

本发明属于陶瓷技术领域，特别涉及一种反应烧结碳化硼陶瓷复合材料的凝胶注模成型制备方法。

背景技术

碳化硼是自然界中硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的重要超硬材料，它具有高硬度、低密度、高模量、高温半导体特性以及良好的热稳定性及耐蚀性等优点，是一种高性能工程陶瓷材料，被用作液气密封材料，航空航天发动机喷嘴，防弹装甲材料，半导体精密结构部件等，在国防、机械、化工以及航空航天等领域得到广泛应用。但其烧结困难及低的断裂韧性两个致命的缺点使得碳化硼陶瓷材料的应用受到了极大限制，例如，碳化硼陶瓷烧结困难，通常需要极高温度进行烧结其烧结温度一般在2000℃左右，即使采用热压烧结其烧结温度仍需1800℃左右。

授权公告号为CN 102464490 B的中国发明专利公开了一种碳化硼基陶瓷复合材料的制备方法，采用反应烧结工艺制备碳化硼陶瓷，烧结温度控制在1350℃-1550℃，明显降低了烧结温度，从而降低生产能耗和制备成本。但是由模压过程难以完全消除粉体之间的“桥拱效应”，且碳源及成型压力的分布不均，易造成粉体团聚，因此素坯的结构均匀性差进而使得烧结体中各相分布不均匀，导致制品的性能不稳定。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种反应烧结碳化硼陶瓷复合材料的凝胶注模成型制备方法。该方法通过凝胶注模的方法制备可控的反应烧结碳化硼陶瓷坯体结构，进而获得结构均匀的烧结体；发挥反应烧结碳化硼低温烧结的优势，提高反应烧结碳化硼陶瓷的综合性能。

本发明的反应烧结碳化硼陶瓷复合材料的凝胶注模成型制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将间苯二酚(R)、甲醛(F)、碳酸钠(N)和去离子水(W)混合，搅拌至完全溶解，加入B₄C粉末，球磨混合均匀，形成B₄C混合浆料；其中，按摩尔比，间苯二酚和甲醛摩尔比R/F＝0.3～0.75，间苯二酚和碳酸钠摩尔比R/N＝50～2000，间苯二酚和去离子水摩尔比R/W＝0.01～0.25；B₄C粉末的平均粒度为3.5～106μm；B₄C混合浆料中碳化硼的含量为40～75wt％；

步骤2：

(1)将B₄C的混合浆料，真空除气注模密封；

(2)将密封的B₄C的混合浆料，放入65～95℃的水浴中进行溶胶凝胶化，形成凝胶后继续在相同温度下老化4～50h，制得间苯二酚-甲醛(RF)聚合物/B₄C水凝胶；

(3)将水凝胶常压干燥后，高温碳化，制得B₄C/C素坯；

步骤3：

(1)将B₄C/C素坯，置于反应烧结炉中，在B₄C/C素坯上放置粉体硅或块体硅，进行高温熔渗，制得烧结体；其中，熔渗温度为1450～1600℃，保温30～60min；