[发明专利]一种碳化硼-硼化钛-碳化硅高硬陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷复合材料及其制备方法，尤其涉及一种碳化硼-硼化钛-碳化硅高硬陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

碳化硼是一种超硬材料，其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼。此外，碳化硼具有高熔点、低密度、优异的耐磨性、极好的化学稳定性和高的中子吸收能力，其应用遍布核工业，装甲防护，航空等领域。然而，高的烧结温度和低的断裂韧性严重影响了碳化硼的进一步发展。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。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。

如我国学者唐军等及国外学者L.S.Sigl采用在碳化硼中加入碳化钛反应烧结的方法制备出高韧性的碳化硼-硼化钛复合陶瓷。其中，唐军等在2050℃，35MPa的热压条件下制备出的碳化硼-硼化钛复合陶瓷中TiB₂颗粒的粒径一般在3μm以下；加入20vol% TiC(对应的TiB₂为35vol%)的复相陶瓷的断裂韧性值高达6.3MPa·m^1/2，比单体B₄C提高75%。然而，在他们的研究中，反应生成的碳没有得到合理的处理，仍然存在于基体中。多余的碳会显著降低基体的硬度，所以其材料的硬度只有21GPa。因此，上述方法虽然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。

又如我国学者李爱菊等人以B₄C与Si₃N₄和少量SiC，TiC为原料，Al₂O₃和Y₂O₃为烧结助剂，在烧结温度为1800-1880℃，压力为30MP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5.6 MPa·m^1/2。但是，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。此外，由于Al₂O₃、Y₂O₃等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。

发明内容

本发明针对现有碳化硼基复合陶瓷材料烧结温度过高、硬度和韧性难以同时提高的缺点而提供一种碳化硼-硼化钛-碳化硅高硬陶瓷复合材料及其制备方法。该方法工艺简单，可以在较低的温度下制得韧性与硬度兼顾的碳化硼-硼化钛-碳化硅高硬陶瓷复合材料。

    为了达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现：

一种碳化硼-硼化钛-碳化硅高硬陶瓷复合材料，按重量百分比计，它由碳化硼50%-90%，硼化钛27%-5.4%，碳化硅23%-4.6%组成。

按上述方案，所述的碳化硼-硼化钛-碳化硅高硬陶瓷复合材料由原料碳化硼、碳化钛和硅的三元混合粉体经过反应热压技术烧结而成，所述原料混合粉体按重量百分比计，包括碳化硼粉体60.6%-92%，碳化钛4%-23.1%，硅粉3%-16.3%；其中，各原料的质量百分比遵循反应方程B₄C +2TiC+3Si—B₄C+2TiB₂+3SiC，上下浮动范围为2%；硅粉的含量根据碳化硼与碳化钛的反应产物碳的产量而调节，其目的是除去产物碳。

按上述方案，所述的混合粉体中碳化硼粉体粒度在0.5-5μm，纯度大于94%；碳化钛粒度在0.5-5μm，纯度大于96%；硅粉粒度在0.3-100μm，纯度大于98%。

上述碳化硼-硼化钛-碳化硅高硬陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

①按重量百分比称量原料碳化硼粉体60.6%-92%，碳化钛4%-23.1%和硅粉3%-16.3%，备用，其中原料的质量百分比遵循反应方程B₄C +2TiC+3Si—B₄C+2TiB₂+3SiC，上下浮动范围为2%；