[发明专利]一种兼具断裂韧性和硬度的B6

说明书

本发明公开了一种兼具断裂韧性和硬度的Bsubgt;6/subgt;O‑金刚石复合材料及其制备方法，以Bsubgt;6/subgt;O和炭黑纳米粉体为原料，在高压和高温下合成烧结良好的Bsubgt;6/subgt;O‑金刚石复合材料。炭黑在高压高温条件下转化为金刚石纳米颗粒，同时形成高强度Bsubgt;6/subgt;O‑金刚石共格界面。超细Bsubgt;6/subgt;O和金刚石纳米颗粒与高强度Bsubgt;6/subgt;O‑金刚石共格界面协同构建了优异的复合材料力学性能。Bsubgt;6/subgt;O‑金刚石复合材料的硬度(43GPa)与聚晶金刚石PCD(40～60GPa)相当，而断裂韧性(7.6MPa·msupgt;1/2/supgt;)比之前合成的多晶Bsubgt;6/subgt;O陶瓷(1.7～3.1MPa·msupgt;1/2/supgt;)和Bsubgt;6/subgt;O基复合材料(3～4MPa·msupgt;1/2/supgt;)提高了数倍。通过断裂行为分析表明，Bsubgt;6/subgt;O‑金刚石复合材料的增韧机制主要为纳米孪晶增韧、裂纹偏转和裂纹桥接。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种兼具断裂韧性和硬度的B₆O-金刚石复合材料及其制备方法。

背景技术

具有优异力学性能的新型陶瓷材料的合成一直是高压科学研究的前沿课题之一，这些材料通常由硼、碳、氮和氧等轻元素组成，由于原子间键长短、共价键强，这些轻元素对外部剪切具有无与伦比的抵抗能力。最典型的例子是金刚石和立方氮化硼(cBN)。优异的力学性能使其在硬质材料工具的应用中长期处于领先地位。此外，科学家还开发了一系列其他硬度优良的陶瓷材料，如碳化硼(B₄C)、氮化碳(C₃N₄)、B-C-N三元化合物(BC₂N)、硼的低氧化物(B₆O)等。其中，B₆O无疑是一个引人注目的分支，因为它的力学性能更加突出，硬度与cBN相似，断裂韧性与金刚石相当。

在过去，人们对B₆O的致密化和烧结做了一系列的努力。遗憾的是，由于B₆O的扩散系数较低，烧结温度下硼氧化物的蒸汽压较高，只有通过压力辅助烧结才能实现B₆O的完全致密化。具体方法是将B₆O粉末或B与B₂O₃粉末的混合物在一定压力下加热至1700～2200℃的高温烧结，但即使在这样的高温下，烧结性较差，导致B₆O陶瓷的断裂韧性较差(1.7～3.1MPa·m^1/2)。添加添加剂是提高其烧结性的直接方法。过去的实验已经证实，在B₆O烧结过程中添加碱土、稀土、碱性氧化物、过渡金属及其氧化物作为添加剂，可以有效降低烧结温度，有利于致密化。如碱土、稀土和碱性氧化物在烧结条件下可以与硼氧化物形成稳定的液态氧化物，而过渡金属及其氧化物可以与B或B₆O反应形成稳定的硼化物。然而，这些添加剂不可避免地对烧结复合块的性能产生不利影响，这源于烧结反应过程中产生的副产物(主要是非晶态或晶态硼酸盐和硼氧化物)。添加了这些材料的B₆O基复合材料，其硬度一般在28～36GPa范围内，断裂韧性为3～4MPa·m^1/2。此外，其他硬质材料如碳化硼、立方氮化硼和金刚石也是可行的B₆O添加剂。用这种硬材料制备的复合材料虽然硬度较高，但断裂韧性较差，一般不超过1.8MPa·m^1/2，很难有广泛的应用价值。可以发现，无论添加何种添加剂，都不足以将复合材料的断裂韧性提高到B₆O单晶(4.5MPa·m^1/2)的水平，也不足以称得上优秀。以往的研究结果表明，B₆O基复合材料以及多晶B₆O断裂韧性较差的主要原因是抗断裂模式单一，以穿晶断裂为主。陶瓷材料的典型增韧机制，如裂纹偏转、裂纹桥接、内应力等，在这些材料中很少发现。因此，在保持B₆O基复合材料硬度的同时提高其断裂韧性是目前B₆O基复合材料研究的一大难题。