[发明专利]一种微纳层次结构TiB2的制备方法

说明书

一种微纳层次结构TiB₂的制备方法，其主要是将Ti和B元素的混合粉末在球磨罐中研磨后，将粉末用正己烷浸泡后烘干；装入BN模具中，用六面顶液压机进行高温高压处理，然后开启加热装置升温至800‑1500℃，保压、保温0.5小时后；对块体进行水冷，形成块体材料；将块体材料放入石墨模具中，在SPS设备上施40MPa压力，Ar气氛保护下升温至1550‑1700℃，随炉冷却至50℃以下，卸压通入空气，解除真空，打磨去除表面层以及抛光，获得微纳层次结构二硼化钛烧结体。本发明解决了烧结困难问题，在较低的烧结温度下，获得了高硬度、高韧性的烧结块体，维氏硬度达到35.44±2.38GPa，断裂韧性达到8.56±0.55MPa*m^1/2。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种微纳层次结构纳米晶TiB₂(一下称NC-TiB₂)的制备方法。

背景技术

在超硬材料领域，目前的研究集中在对大晶粒尺寸(晶粒尺寸在微米级别)超硬材料的研究，而对纳米晶固化成块体超硬材料的研究相对较少。在过渡金属陶瓷中，TiB₂是一种很有开发潜力的耐高温陶瓷材料。TiB₂晶体的价带和导带电子主要是由Ti原子的3d轨道和B原子的2p轨道上价电子构成，这种独特的导电方式构成了其优良的导电性能。TiB₂晶体结构的骨架由B^-和B^-间的σ键和Ti²⁺和B^-间的离子键构成，这种结构决定了TiB₂晶体具有高熔点、高硬度以及优良的化学稳定性等优点。从二硼化钛的六方晶系结构可知，在其a,b轴方向为共价键，c轴方向则主要为离子健。在离子键与σ键的共同作用下，Ti²⁺与B^-均具有强烈的各向异性，难于发生迁移，因此TiB₂晶体中的原子自扩散系数很低，这种独特的晶体结构和化学键构成方式也决定了其烧结十分困难，进而导致其应用受限。

二硼化钛粉末的制备方法有很多，如碳热还原法、金属热还原法、自蔓延高温合成法、机械合金化法、直接合成法和熔盐电解法等。

碳热还原法根据反应物的不同，可以分为碳化硼法和氧化硼法，金属热还原法则用金属铝、镁做还原剂，这两类反应的缺点是最终的产物中包含了大量的还原剂，得到纯度较低的样品。自蔓延高温合成法巧妙的利用了物质反应过程中放出的大量的热量，诱导反应的不断发生，使得反应在极端的时间进行完全，直到反应物消耗殆尽，但其致命的缺点就在于合成的物质杂质较多，需要经过一系列的酸洗工艺处理。

TiB₂烧结方法一般可分为常规烧结、气氛压力烧结、反应烧结、热压烧结、放电等离子烧结、热等静压烧结、微波烧结及高温自蔓延烧结等。随着高温高压技术的进步，设备的改进促进了实验条件的提升，因此采用高温高压的实验方法致密化纳米陶瓷材料已越来越普遍，然而对于高温陶瓷材料而言，需要的烧结温度极高，同样受到高温高压实验条件的限制。

相比较高温高压而言，放电等离子烧结主要是通过体加热和表面的活化，使得材料迅速的致密化，作为一种新型的烧结技术，具有独特优点，如具有非常高的热效率，在相对短的时间内完成致密化工艺等。但以单纯地SPS烧结工艺进行TiB2的烧结，易于得到高致密度的材料，同时伴随着晶粒的异常长大，使得材料的硬度等性能降低。

发明内容

本发明的目的在于制备出微纳层次结构的TiB₂纳米晶陶瓷材料，并提供一种能够解决烧结困难、提高材料硬度和断裂韧性的微纳层次结构TiB₂的烧结方法。本发明主要是以纯的单质粉末为原材料，在机械合金化的过程中诱发自蔓延反应，合成出微纳层次结构的NC-TiB₂，并选用高温高压和SPS技术进行固化处理，得到高致密度的块体材料。

本发明的技术创新点：