[发明专利]一种高强度、高硬度且低模量硼化钛纳米复相陶瓷的制备方法

说明书

本发明提供一种高强度、高硬度且低模量硼化钛纳米复相陶瓷的制备方法，其特征在于：采用市售的TiC_xN_1‑x、B、B₄C和Si粉体为原料，根据相应的化学反应方程式进行粉体的配比，将原料粉体混料、干燥、过筛后利用热压烧结或放电等离子体实现其致密化，得到所需复相陶瓷。本发明方法利用反应烧结原料的固溶体效应，通过反应与烧结同时发生这一特征，可以获得TiB₂晶粒在纳米尺度的复相陶瓷，最终获得的复相陶瓷同时拥有高强度，硬度和低弹性模量；且原料价格便宜，方便易得，制备工艺简单，周期短，在1650℃‑2000℃即可实现复相陶瓷的烧结致密化，有利于降低材料制备过程所需的能耗，获得陶瓷的致密度高。

技术领域

本发明属于非氧化物结构陶瓷领域，具体涉及一种高强度、高硬度且低模量硼化钛纳米复相陶瓷的制备方法。

背景技术

通过金属与陶瓷的连接和复合可以充分发挥金属和陶瓷材料的各自性能优势，从而形成性能更加优异的宏观结构复合组件。然而，一般陶瓷材料的应变容限很小，与钢等金属材料相比具有更高的弹性模量，在与金属材料连接使用时经常发生陶瓷部分由于热应力或机械应力过大而被破坏的情况。这使得金属-陶瓷连接部件在服役中的可靠性下降，获得高强度，低模量的陶瓷材料是解决这一问题的关键。

实现高强度且低模量的陶瓷材料一般有两种途径。一是通过在陶瓷材料内部引入微气孔。当在陶瓷基体中引入适量，分布均匀且形貌可控的气孔时，可以降低陶瓷模量的同时，维持材料的强度或避免材料强度急剧下降。另一种途径是在陶瓷基体中添加低弹性模量第二相来降低材料整体的弹性模量。六方氮化硼不仅弹性模量低且与绝大多数陶瓷基体的化学相容性好，因此它常用做降低材料弹性模量的第二相。但是，BN晶粒很难在陶瓷基体中均匀分散，它的直接添加很容易造成复相陶瓷强度的急剧下降。将陶瓷粉体在液相环境中包裹硼酸和尿素等前躯体，再将经包裹后的粉体在氮气或氨气下进行热处理，可以在陶瓷粉体表面包裹一层纳米尺度的BN层。以BN包裹的粉体为原料，通过热压烧结，Kusunose T等人获得了一系列高强度复相含氮化硼陶瓷，包括Si3N4/BN等(J Am Ceram Soc,2002,85(11):2678～2688)。

在上述研究中，尽管通过气孔和BN引入方式的改变以及其分散的均匀性的提升，所得到复相陶瓷弹性模量得以下降，弯曲强度也在一定程度上得到保持。但它们的引入也大幅度降低了材料的硬度，从而使得金属-陶瓷连接部件中陶瓷一侧的应用受到限制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明拟提供一种通过反应烧结的途径获得高强度，低模量且高硬度的TiB2-B4C-BN和TiB2-SiC-BN纳米复相陶瓷的方法。利用碳氮化物固溶体为反应烧结的原料，抑制烧结中可引发的自蔓延现象，使得在烧结过程中反应和致密化得以同时发生。由于在致密化过程中逐步反应生成的TiB2晶粒在纳米尺度，从而实现了陶瓷的晶粒细化和强化。原位生成的由亚微米尺度B4C或SiC晶粒相互贯通而形成的骨架则提高了材料的硬度。利用此方法获得的TiB2基复相陶瓷具有高纯，细晶，BN相在基体中均匀分布等诸多特征。

本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种高强度、高硬度且低模量硼化钛纳米复相陶瓷的制备方法，其特征在于：采用市售的TiC_xN_1-x、B、B₄C和Si粉体为原料，根据下列化学反应方程式进行粉体的配比：

TiC_xN_1-x+(3x+3)B＝TiB₂+xB₄C+(1-x)BN (1)

TiC_xN_1-x+(0.75+0.75x)Si+(0.75-0.25x)B₄C＝TiB₂+(0.75+0.75x)SiC+(1-x)BN

(2)