[发明专利]一种多组元纳米晶金属硼化物的制备方法

说明书

一种多组元纳米晶金属硼化物的制备方法，其主要是将Ti、Zr、Ta、Hf、Nb、B₂元素的混合粉末在球磨罐中研磨后，将粉末用正己烷浸泡后烘干；装入BN模具中，用六面顶液压机进行高温高压处理，然后开启加热装置升温至800‑1500℃，保压、保温0.5小时后；对块体进行水冷，形成块体材料；将块体材料放入石墨模具中，在SPS设备上施40MPa压力，Ar气氛保护下升温至1500‑1700℃，随炉冷却至50℃以下，卸压通入空气，解除真空，打磨去除表面层以及抛光，获得多组元纳米晶金属硼化物。本发明在较低的烧结温度下，获得了高硬度、高韧性的烧结块体，维氏硬度为达到28GPa，断裂韧性达到11.2MPa·m^1/2；烧结体物相组成为单相的TMB₂，晶体结构较为简单。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种金属硼化物的制备方法。

背景技术

20世纪50年代中期美国通用电气公司先后成功合成出世界上第一颗人造金刚石和立方氮化硼(c-BN)，推动了超硬材料的大规模工业化应用。超硬材料是指维氏硬度大于40GPa的材料，具有高硬度和高强度，优异的耐磨性质，因此广泛应用于切屑加工工具、耐磨涂层、研磨材料等领域，在工业生产和航空航天中发挥着不可替代的作用。随着工业的发展，人类对超硬材料的性能要求也越来越高，现有的超硬材料越来越难以满足人类的需求。因此设计并合成出具有优异性能的新型超硬材料来代替金刚石和立方氮化硼在工业上的应用非常重要。

在探寻新型超硬材料的道路上，科研工作者做了大量的研究工作，发现超硬材料一般具备以下几个特征：1、构成化合物的单原子的平均价电子数高；2、单位体积内的共价键的数量尽可能多；3、高的平均键能；4、共价键具有较强的方向性。

过渡金属又名过渡元素，指元素周期表中d区的一系列金属元素，包括3到12一共十个族的元素，但不包括f区内的过渡元素。大多数过渡元素都有较高的熔点和沸点，有较高的的硬度和密度。过渡金属由于具有未充满的价层d轨道，基于十八电子规则，这一区很多元素的电子构型中都有不少单电子，最外层s电子和次外层d电子都可以参与形成金属键，使键的强度增加，性质与其他元素有明显差别，很容易形成配合物。部分过渡金属拥有较高的价电子密度，将B元素加入到这些过渡族金属中，在几乎不改变其价电子密度的同时引入共价键，满足了高的价电子密度和短而强、具有方向性的共价键结合的条件，形成了新的超硬材料的设计思路。

在过去的几十年中，科学家对这一领域进行了深入的研究。Veprek S等人通过理论计算，预测了过渡金属硼化物具有高的硬度，是潜在的超硬材料，如ReB₄、MoB₄、WB₄等。2007年Chung等采用电弧熔炼法制备出了ReB₄，其维式硬度值达到了55.5GPa。2011年Liu等在已经合成的二元过渡金属硼化物的基础上，加入了第三种元素形成多硼化物固溶体，使硼化物的硬度提高。M.A.Avile′s等人通过机械合金化研究了二组元的金属硼化物，Ti_xZr_1-xB₂和Ti_xHf_1-xB₂，这些研究都充分表明了过渡金属硼化物具有高的硬度、强的耐磨性、高的熔点和良好的抗氧化、抗腐蚀性能，是极端条件下磨削和涂层材料的极佳选择。在这些研究中，科学家分别采用碳热还原法、金属热还原法、高温熔炼法等方法合成出了过渡金属-非金属化合物，但是合成出来的多为微米晶，且存在纯度低、能力消耗高等缺点。采用气相还原法合成出了纳米晶的硼化物，但是存在氯化钠等多种残余物质；选用SPS方法合成出的高硬度的二硼化铼，晶粒尺寸达到了微米级别。但是到目前为止，没有高效合成出多于二组元的过渡金属硼化物。

发明内容