[发明专利]基于粗颗粒粉体的无压烧结碳化硼陶瓷制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以粗颗粒碳化硼粉体为原料，无压烧结工艺制备低成本碳化硼陶瓷的方法，属于结构陶瓷领域。

背景技术

碳化硼陶瓷因具有低密度、高硬度(仅次于金刚石和立方氮化硼)、高弹性模量、耐腐蚀、耐磨损和吸收中子以及高温半导体特性，被用作中子吸收材料、防弹材料、耐磨喷嘴、半导体精密结构部件等，在核能、国防和机械等领域得到广泛应用。

碳化硼陶瓷共价键分数大于90％以上，自扩散系数非常低，气孔的消除、晶界和体积扩散的传质机制需要极高的温度，单纯的碳化硼陶瓷烧结极其困难。目前，已实现产业化的高性能碳化硼陶瓷的制备方法主要有热压烧结和无压烧结两种工艺。热压工艺是在烧结的同时对碳化硼烧结体施加一定的压力，促进碳化硼陶瓷的致密化，但热压工艺单炉产量有限，而且只能制备尺寸较小、形状较为简单的结构产品，因此热压碳化硼综合成本十分高昂。无压烧结工艺优点是适合规模化生产，可以制备大尺寸、复杂形状的结构部件，由于工艺限制，目前无压烧结碳化硼多采用2微米以下超细粉体作为原料，从而提高碳化硼陶瓷的烧结活性，获得致密化的烧结体，但微米级碳化硼超细粉体研磨处理工艺复杂，价格较高，因此，虽然无压烧结碳化硼陶瓷比热压产品价格有所降低，但相比其他碳化物结构陶瓷价格仍然昂贵。

碳化硼陶瓷较高的价格成为限制其大规模推广应用的最大障碍。因此，在保证碳化硼陶瓷致密度和烧结性能的前提下，降低碳化硼陶瓷制造成本成为亟待解决的关键难题。

发明内容

本发明针对碳化硼陶瓷价格昂贵的技术现状，以价格低廉的2微米以上粗颗粒碳化硼粉体为原料，采用无压烧结工艺，同时添加固相和液相烧结助剂，通过固-液相助剂协同烧结机制，实现碳化硼陶瓷的晶粒生长控制、微观结构调控和最终的致密化，从而为无压烧结碳化硼陶瓷的低成本化制造奠定技术基础。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于粗颗粒粉体的无压烧结碳化硼陶瓷制备方法，包括以下步骤：

(1)将各种原料放入混料容器中，所述的各种原料包括以下重量百分比的各组分：碳化硼粉70～80wt％，碳粉4～8wt％，氧化钇粉0.7～2wt％，余量的粘结剂和分散剂，然后加入去离子水球磨制浆，所得的浆料的固相含量为25～45wt％；

(2)将步骤(1)所得浆料，利用喷雾干燥造粒工艺制得造粒粉体，具体为：

采用料浆泵将步骤(1)中制备的浆料送入喷雾干燥造粒机的造粒喷头中雾化，浆料泵输送浆料的压力为0.02～0.4Mpa；

或者利用蠕动泵将浆料送入喷雾干燥造粒机的离心转盘喷头中形成微小雾滴，离心转盘转速为2000～20000转/分钟，喷雾干燥造粒机的进口温度为120～250℃，出口温度80～150℃；

(3)将步骤(2)所制得的造粒粉采用干压法成型或冷等静压成型工艺压制成生坯，成型压力为100～200MPa；

(4)将步骤(3)所制得的生坯放入高温真空烧结炉内，采用无压烧结工艺进行烧结。具体为：

1600℃以前控制炉内真空度为10～600Pa，1600℃通入惰性保护气体；或加热前通入惰性保护气体至常压，

随后在2000～2300℃温度下保温0.5～5h完成烧结得到碳化硼陶瓷。

本发明上述步骤(1)中的制浆设备为立式或卧式球磨机等常规混料设备。

本发明上述步骤(1)中的球磨制浆，通过控制球料比、球磨机转速、球磨混料时间，制得适合于喷雾干燥造粒的浆料，具体为采用树脂、氧化锆或氧化铝作为球磨时的介质球，球径为1～10mm，球料比介质球的重量与碳化硼、碳粉、氧化钇粉三种原料重量之和的比值为(0.5～5)：1，混料时间为1～24h，浆料pH值为4～10，球磨机转速为50～200转/分钟。

本发明上述的碳化硼粉的纯度≥95％，粒径为D50≥2μm。

本发明上述的碳粉为水溶性色素碳黑，粒径为5～200nm。

本发明上述的氧化钇粉为纯度≥95％，粒径为100nm～2μm。

本发明上述步骤(1)中的原料还可以包括粘结剂15～25wt％，分散剂0.5～2wt％。加入粘结剂和分散剂后，步骤(1)中的各原料配比为：碳化硼粉70～80wt％，碳粉4～8wt％，氧化钇粉0.7～2wt％，粘结剂15～25wt％，分散剂0.5～2wt％；球磨混料前加入一定量的去离子水，使得所得浆料的固相含量为25～45wt％。