[发明专利]一种B4C-HEAs梯度材料及其制备方法

说明书

本发明涉一种B₄C‑HEAs梯度材料及其制备方法。该梯度材料由N层材料烧结为一体结构，其中N≥5，N层材料自上而下由富陶瓷层通过多个中间层逐步过渡到富金属层，每层的HEAs质量呈梯度上升变化，所述HEAs是由机械合金方法制备的合金粉末，所述富陶瓷层的HEAs含量为1wt％～50wt％，硅的含量为0wt％～5wt％，其余为B₄C；所述富金属层的HEAs含量为50wt％～100wt％，硅的含量为0wt％～5wt％，其余为B₄C。本发明的制备方法包括混料步骤、分段烧结步骤和连接步骤。本发明分段烧结梯度材料，每层都具有高致密度，再将几段少层梯度材料连接成多层梯度材料，材料整体梯度结构更加丰富，显著降低烧结温度，减少烧结成本；所制备的材料整体强度高、各层致密度高、界面连接好且具有明显梯度形貌和性质变化。

技术领域

本发明属于陶瓷和金属复合材料技术领域，具体涉及一种B₄C-HEAs梯度材料及其制备方法。

背景技术

功能梯度材料(Functional Graded Materials，简称FGM)是由日本学者Kawasaki和 Watanab在上世纪80年代首先提出和制备的，具有优异的抗热震性能和抗裂纹扩展性能。 FGM现已成功应用于多个领域，例如核工程中的核反应第一层壁及周围材料、等离子体测试和控制用窗口材料；机械工程中的陶瓷发动机、耐磨机械构件、耐热机械构件和耐腐蚀机械构件；生物工程材料中的人造齿、人造骨/人造关节和人造脏器以及轻质陶瓷材料等。

梯度材料是新型防护科技中的一项关键技术，是现代生产发展中不可缺少的生存之术。陶瓷材料具有高硬度、低密度的特点，以其作为材料不仅能消耗冲击物的动能，还可借助高熔点的特性来分散金属冲击物的熔融金属射流，是优良的材料之一。

碳化硼(B₄C)是陶瓷材料中密度最小的，甚至比铝还低，仅为2.52g/cm³。其硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼(CBN)，尤其是近于恒定的高温硬度(>30GPa)更是远远超过金刚石和CBN，同时B₄C还具有高熔点(2450℃)、高模量、耐磨性好、耐酸碱性强等特点，并具有良好的中子、氧气吸收能力、较低的膨胀系数(5.0×10^-6·K^-1)、热电性能(140S/m，室温)。但由于B₄C结构中存在90％以上的共价键导致其自扩散系数很低难以烧结，需加入第二相材料进行复合，在加入第二相材料的同时，如何保持其耐腐蚀、高硬度等特性是一个难题。

叶均蔚等在1995年突破材料设计的传统理念，在非晶合金基础上提出了新的合金设计理念，称之为多主元高熵合金(High Entropy Alloys,HEAs)。高熵合金是由5种以上元素组元按照等原子比或近等原子比合金化，一般形成固溶体的一类混合熵较高的合金。由于具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应、性能上的鸡尾酒效应，容易获得热稳定性高的固溶体相和纳米结构甚至非晶结构，高熵合金具有高强度、高硬度、高耐磨性、高抗氧化性、高耐腐蚀性等传统合金所不能同时具备的优异性能，成为近些年来最有发展潜力的3大热点之一，具有很高的学术研究价值。同时高熵合金与陶瓷具有良好的润湿性，与陶瓷共存时能形成低共熔点的中间相，降低陶瓷的烧结温度，提高陶瓷的致密度。