[发明专利]一种高致密碳化硼陶瓷材料及其无压烧结的制备方法

说明书

本发明公开了一种高致密碳化硼陶瓷材料及其无压烧结的制备方法，其原料按照质量百分比，由以下组份组成：二硅化铬2～8％，碳化硅4～10％，铝0～2％，聚酰亚胺粉3～8％，炭黑0.5～2.5％，余量为碳化硼。本发明为了提高碳化硼陶瓷的致密度，常添加与碳化硼有较好润湿性的金属单质或其化合物。本发明采用加入二硅化铬和碳化硅作烧结助剂提高其力学性能。二硅化铬可以与碳化硼形成共晶液相实现液相烧结，可显著提升碳化硼致密度。碳化硅还可钉扎在碳化硼晶界处阻碍晶粒长大，提升其力学性能。两种烧结助剂作为第二相粒子与碳化硼基体混合良好，润湿性较好，可以提高陶瓷材料结合面的强度。

技术领域

本发明属于碳化硼陶瓷材料技术领域，具体涉及一种高致密碳化硼陶瓷材料及其无压烧结的制备方法。

背景技术

自19世纪作为金属硼化物研究的副产品被发现以来，碳化硼由于高硬度、高熔点、高弹性模量、低密度等性能成为研究热点。同时具有良好的化学稳定性和中子吸收性，因此碳化硼陶瓷被广泛应用于耐磨材料、核工业、防弹材料等领域。虽然碳化硼材料具有诸多优点，但碳化硼作为共价键陶瓷，自扩散系数非常低，因此碳化硼陶瓷极难烧结致密；同时，碳化硼还是一种脆性材料，断裂韧性低，不利于实际应用。实际生产中往往采用热压烧结的方法，使得陶瓷在烧结过程中产生塑性变形、晶界滑移以及晶粒的重排等，促进碳化硼陶瓷致密化。但热压烧结设备复杂，烧结过程中烧结温度高且需持续加压，耗能较大，导致热压烧结碳化硼陶瓷价格昂贵。由于烧结温度高，烧结过程中易发生晶粒长大，且生产效率低，只能生产形状简单的产品。

无压烧结工艺能够制成复杂形状的素胚、单炉产量高，适用于大规模批量化生产，大大拓宽碳化硼陶瓷的使用领域。但无压烧结的碳化硼陶瓷难以烧结致密，使其拥有较低的致密度和强韧性；为了改进碳化硼陶瓷无压烧结制品的性能，科研人员尝试在烧结时添加烧结助剂。例如添加金属氧化物，通过提高点缺陷或位错密度来提高晶界和体积扩散的活化作用实现致密化；或者添加过渡金属硼化物、碳化物，产生钉扎效应,阻止晶粒生长。但高温烧结时增韧金属极容易与碳化硼发生化学反应，且烧结助剂的加入对碳化硼陶瓷的硬度和高温性能也有损伤，因此目前还没有找到一种能很好地粘结碳化硼的金属材料，这些因素制约了无压烧结碳化硼陶瓷的推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种高致密碳化硼陶瓷材料及其无压烧结的制备方法，解决目前烧结助剂无法在无压烧结中有效的粘结碳化硼的问题。

本发明这种高致密碳化硼陶瓷材料，原料按照质量百分比，由以下组份组成：二硅化铬2～8％，碳化硅3～10％，铝0～2％，聚酰亚胺粉3～8％，炭黑0.5～2.5％，余量为碳化硼。

优选的，高致密碳化硼陶瓷材料，原料按照质量百分比，由以下组份组成：二硅化铬3～6％，碳化硅3～8％，铝0.5～2％，聚酰亚胺粉3～7％，炭黑0.5～2％，余量为碳化硼。

本发明这种高致密碳化硼陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将除聚酰亚胺之外的物料混合后装入行星球磨机中进行球磨，得到球磨后的物料；

2)向步骤1)中球磨后的物料中加入聚酰亚胺，混合均匀后，经干燥、过筛和烘干后，得到混合物微粉；

3)将步骤2)中的混合物微粉压制成型后，得到素胚，然后对素胚进行无压真空烧结，得到碳化硼基体。

4)用铝硅箔将步骤3)中的碳化硼基体充分包覆，采用反应熔渗法，在氩气气氛下低温烧结，得到碳化硼陶瓷。

所述步骤(1)中，球磨介质为无水乙醇，液料比为1:1～2.5g/L，球料比为3～8:1，球磨转速为400～600r/min；球磨时间为15～50h。

所述步骤(2)中，过筛的筛网孔径为50～80目；成型压力为180～250MPa，素胚密度控制在1.65～2.00g/cm³。