[发明专利]高硬超轻陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

一种高硬超轻陶瓷复合材料及其制备方法，属于陶瓷复合材料制备技术领域。该高硬超轻陶瓷复合材料的制备方法包括以下步骤：S1，称取碳化硼粉体、覆钛碳纳米管和覆硅碳纳米管；S2，将碳化硼粉体和分散介质混合砂磨至浆料粒径D50≤1μm，得到碳化硼浆料；S3，将碳化硼浆料、覆钛碳纳米管及覆硅碳纳米管一起球磨，得到均匀的混合浆料；S4，将混合浆料喷雾造粒，再粉碎过筛，得到混合粉体；S5，将混合粉体转移至石墨模具中，混合粉体与石墨模具、压头之间用石墨纸隔开，热压烧结制得高硬超轻陶瓷复合材料。本发明以碳化硼、覆钛碳纳米管和覆硅碳纳米管为原料，通过原位反应生成硼化钛和碳化硅，既提高了基体材料的硬度，又起到了增强补韧的作用。

技术领域

本发明涉及的是一种陶瓷复合材料制备领域的技术，具体是一种高硬超轻陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

碳化硼具有很多优良的性能：仅次于金刚石和立方氮化硼的超常硬度(莫氏硬度为9.3)，是最理想的高温耐磨材料；密度很小，是陶瓷材料中最轻的，可用于航天航空领域；中子吸收能力很强，相对于纯元素B和Cd来说，造价低、耐腐蚀性好、热稳定性好，广泛用于核工业；化学性能优良，在常温下不与酸、碱和大多数无机化合物反应，仅在氢氟酸一硫酸、氢氟酸一硝酸混合物中有缓慢的腐蚀，是化学性质最稳定的化合物之一；还具有高熔点、高弹性模量、低膨胀系数和良好的氧气吸收能力等优点；还是p型半导体材料，即使在很高的温度下也可保持半导体特性。

然而，过高的烧结温度和低的断裂韧性严重影响了碳化硼材料的进一步发展和应用。为了解决这些问题，常规的方法是向碳化硼基体中加入第二相物质以起到降低烧结温度和提高韧性的目的。目前，研究较多、效果较好的方法是通过反应烧结在碳化硼基体中引入硼化钛；另外碳化硅也因拥有高硬度、低密度和高弹性模量而成为高硬、轻质碳化硼陶瓷最理想的添加相之一。

许多学者研究了直接在碳化硼中添加硼化钛进行烧结，发现硼化钛的加入不同程度的提高了材料韧性，但这种方法存在第二相颗粒分布不均匀、与基体不相容、结合差等问题；另有研究表明，在碳化硼中加入碳化钛，既可以利用他们之间的化学反应生成非化学计量的B₄C_1-x，导致碳化硼晶格常数的改变，产生结构缺陷，从而加速传质过程，促进了烧结致密化，达到降低烧结温度的目的；又可以利用反应产物硼化钛的热膨胀系数与基体碳化硼不匹配而产生残余应力引发的微裂纹偏转效应，提高碳化硼的断裂韧性。但这种方法产生的多余的碳因没有得到合理处理，仍存在于基体中，会显著降低基体的硬度。因此，此方法虽在一定程度上降低了烧结温度和增加了材料的韧性，但却牺牲了材料的硬度，没有真正解决高硬度陶瓷增韧的问题。

我国学者李爱菊等人以碳化硼与氮化硅和少量碳化硅、碳化钛为原料，氧化铝和氧化钇为烧结助剂，在烧结温度为1800～1880℃，压力为30MPa的热压条件下制备出以碳化硼-硼化钛-碳化硅为主相的陶瓷复合材料，其断裂韧性可达5.6MPa·m^1/2。但该方法使用原料较多，原料之间反应过程复杂，中间相繁多，难以获得高纯的三元复合陶瓷。另外，低温液相助烧剂的加入使得材料的硬度和高温机械性能降低，从而减小材料的使用范围，降低材料的可靠性。

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明由此而来。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种高硬超轻陶瓷复合材料及其制备方法，以碳化硼、覆钛碳纳米管和覆硅碳纳米管为原料，通过原位反应生成高硬度的硼化钛和轻质、高硬度、高韧性的碳化硅，既提高了基体材料的硬度，又起到了增强补韧的作用。

本发明涉及一种高硬超轻陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1，按以下重量百分比称取原料备用，其中，碳化硼粉体75％～95％，覆钛碳纳米管3％～15％，覆硅碳纳米管2％～10％，三种原料重量合计100％；