[发明专利]梯度及非梯度SiCw增韧硼化物基复合陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种梯度及非梯度SiCw增韧硼化物基复合陶瓷材料及其制备方法。该复合陶瓷材料以硼化物MB₂作为基体，10％～30％体积分数的碳化硅颗粒SiCp和10％～20％体积分数的碳化硅晶须SiCw作为增韧相。其制备是将原料通过反应热压烧结，在900～1200℃原位合成硼化物基体相，在1400～1600℃原位生成SiC_p和SiC_w增韧相，并在1800～2000℃加压烧结制备致密的硼化物基复合陶瓷。采用本发明的制备方法，使得基体中的增韧相分布均匀，基体与增韧相的化学相容性好，结合力强，因而材料具有优良的综合力学性能，并且可以通过不同原料配方的简单叠层反应烧结制备界面应力低的梯度结构材料，同时其工艺步骤少，制备效率高。

技术领域

本发明属于硼化物基复合陶瓷材料技术领域，具体涉及一种碳化硅晶须(SiCw)增韧硼化物基复合陶瓷材料，以及通过原位合成基体相和增韧相制备该陶瓷材料的方法。

背景技术

硼化物陶瓷材料具有高硬度，高熔点，导电性好，耐腐蚀，高温强度好等优良性能，可广泛用于轴承，模具，切削刀具等耐磨领域，在航空航天领域的高温零部件也具有广泛用途，用于电极材料比石墨等传统材料具有更好的耐热性，耐磨性，在冶炼中用作高温耐腐蚀容器具有广阔前景。但是由于硼化物陶瓷的自扩散系数很小，需要在高温高压条件下使其烧结致密，如朱品文CN 102584242 A公告中所示，因此其制备成本很高。此外即使在高温高压条件下，高纯的硼化物陶瓷也很难烧结致密，不致密的硼化物陶瓷由于空隙较多，材料的强度，韧性，耐高温性，耐腐蚀性等性能难以达到使用要求。在硼化物中添加低熔点金属，过渡金属以及某些氧化物，氮化物和碳化物等可以有效改善烧结性能，在较低温度下获得致密烧结体，从而提高其使用性能，如李彬CN 103387392B，张国军CN 102249697 A，周延春CN102557644 A，徐明CN 106365639 A等公告所示。然而其中以低熔点金属，低熔点化合物作为烧结助剂获得的硼化物基陶瓷，其高温性能比较差，难以满足高温场合的使用要求，因此以碳化物，氮化物等高熔点，耐高温材料作为烧结添加剂的硼化物陶瓷具有较好的综合力学性能。

SiC(碳化硅)作为一种高硬度，抗高温氧化的陶瓷材料，其制备原料来源广泛，对于硼化物来说，是一种性能优良的添加剂。SiC具有多种晶型和晶粒形貌，以颗粒状碳化硅(SiCp)作为添加剂的硼化钛/碳化硅复合材料的硬度比纯硼化钛更高，耐磨性更好，具有优良的抗氧化性，并且强度较高，如王为民CN 103145422 A，张永华CN 107188566 A，钱广华CN 104355618 A。但是硼化物陶瓷的韧性很低，以颗粒状第二相作为添加剂的硼化物基复合陶瓷的韧性也很难得到改善，限制了其在受到波动外力或冲击载荷的零部件的使用，如高温冲压模具等；而晶须状或纤维状材料具有很高的韧性，因此在硼化物陶瓷里引入第二相晶须或纤维可以大大提高其断裂韧性，提高其使用的抗冲击性，从而提高使用安全性，扩大其应用范围。

P.K.梅罗特拉CN 1204308A公告中以碳化硅晶须(SiCw)作为添加剂，制备了韧性好，综合性能优良的复合陶瓷，但是直接加入晶须的做法一方面在混料时晶须容易被磨碎，打断，降低了在硼化物陶瓷基体的增强作用，另一方面晶须的合成需要其他的合成工艺，耗时长，成本高。如果在烧结硼化物陶瓷基体的同时原位合成SiCw，可以有效减少制备时间，降低成本，而且SiCw与基体的内应力更小，结合更紧密，可以起到更有效的增强作用。同样地，直接加入硼化物进行烧结的方法也存在耗时长，能耗高，效率低，成本高等问题，设计合适的反应物原料配比以及烧结工艺，在反应生成硼化物的同时使得硼化物基陶瓷烧结致密，将大大提高制备效率，降低成本，同时由于合成的硼化物没有二次暴露在空气，其它容器等环境中，有效减少了杂质的引入，使得其烧结基体晶界更干净，晶粒结合力更强，综合性能更好，并且可减小晶界腐蚀的速率，因而耐腐蚀性更好。