[发明专利]一种干法常压烧结制备碳化硼陶瓷的方法

说明书

一种干法常压烧结制备碳化硼陶瓷的方法，它属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种碳化硼陶瓷烧结制备方法。本发明的目的是要解决现有常压烧结得到的碳化硼陶瓷存在力学性能差的问题。方法：一、配制浆料；二、砂磨；三、造粒粉体；四、制坯；五、烧结，得到碳化硼陶瓷。优点：致密度可达97％以上；密度为2.45g/cm³～2.50g/cm³；抗弯强度值可达到420MPa～450MPa，硬度为33GPa～35GPa，弹性模量为450GPa～480GPa，断裂韧性为2.8MPa·m^1/2～3.3MPa·m^1/2。本发明主要用于制备结构简单的或规则的碳化硼陶瓷。

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种碳化硼陶瓷烧结制备方法。

背景技术

碳化硼是一种有着许多优良性能的重要特种陶瓷。碳化硼的硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼，尤其是近于恒定的高温硬度是其他材料无可比拟的，故成为超硬材料家族中的重要成员。在碳化硼中，硼与碳主要以共价键相结合，具有高熔点、高硬度、高模量、密度小、耐磨性好、耐酸碱性强等特点，并具有良好的中子、氧气吸收能力、较低的膨胀系数、热电性能，是一种综合性能十分突出的新型高性能工程陶瓷材料，在高端液气密封材料、航天航空发动机喷头、高端陶瓷轴承、高端防弹装甲材料、硬质材料的抛光和精研磨料等方面具有重要应用，碳化硼陶瓷在核电反应堆中子吸收及屏蔽部件等方面具有不可替代的作用，故广泛应用于耐火材料、工程陶瓷、核工业、航天航空等领域。

目前，用于抗弹陶瓷的结构陶瓷主要有氧化铝、碳化硅和碳化硼。其中，碳化硼是抗弹性能最优的装甲材料，目前用作飞机装甲材料和特殊用途防护结构。氧化铝虽然综合防护系数最低，但因其成本最低，所以在护身装甲和装甲车辆方面获得较多的应用。碳化硼抗弹陶瓷无论是防护系数，还是成本都介于二者之间。因而，降低碳化硼抗弹陶瓷材料的成本研究具有很强必要性和广阔的应用前景。

碳化硼陶瓷的制备方法按照其机理主要分为：热压烧结法、常压烧结法(又称为无压烧结法)、反应烧结法。热压烧结法是指以几乎纯的碳化硼为原料，在高温烧结过程中加载几十兆帕的高压，促进碳化硼致密化的烧结方法。热压烧结法产量低，产品结构简单，烧成温度高，产品磨加工余量大，产品机械性能最好，综合成本最高；常压烧结法是指在碳化硼原料中添加一种或几种烧结助剂，高温下利用烧结助剂的作用，促进碳化硼致密化的烧结方法。常压烧结法产能高，烧成温度高，产品磨加工余量小，适宜批量生产，产品机械性能较好，需要昂贵的高质量超细原料，综合成本较高，且烧结助剂的加入会对材料性能产生不利的影响，如理论密度的升高和硬度的下降等；反应烧结法是指将碳化硼和碳首先制备成为素坯，然后在高温下从外部浸渗液态或气态的金属Al、Si等，素坯中的碳与浸渗的金属发生反应，生成金属碳化物，过剩的金属充填陶瓷体孔隙，从而实现陶瓷致密化的烧结方法。反应烧结法烧成温度低，能耗低，原料粒度粗大成本低，产能较高，产品无收缩甚至略微膨胀，产品表面残留过剩的金属需要特别处理，液态或气态的金属对窑炉具有破坏性影响，缩短窑炉寿命。反应烧结碳化硼陶瓷内部因有大量金属残留，机械性能和耐腐蚀相对较差。目前中国公开专利“一种低温快速烧结制备碳化硼陶瓷材料的方法”(申请公布号CN104402441A)通过利用放电等离子烧结技术烧结多孔碳化硼粉体制备高性能碳化硼陶瓷，是一种节能环保的制备技术，而且这一烧结技术在烧结过程中可以加压，这对于多孔碳化硼粉体的孔道坍塌和致密化过程是有利的，从而可以实现在较低温度下得到高性能的碳化硼陶瓷，但是技术难度高且致密度较低；中国公开专利“一种基于反应烧结制备碳化硼陶瓷复合材料的方法”(申请公布号CN105130438A)在碳化硼陶瓷粉末表面沉积金属钛，在随后的烧结过程中，金属钛与素坯中的碳发生反应，并在碳化硼表面形成了致密的碳化钛，其不仅能够抑制硅与碳化硼的反应，保护碳化硼相的完整性，而且还能提高碳化硼陶瓷复合材料的整体性能，此发明因为会有大量金属残留导致碳化硼陶瓷机械性能相对较差；中国公开专利“常压烧结碳化硼陶瓷的制备方法”(授权公告号CN102503429B)通过碳化硼、碳化硅、碳粉等原料在常压下制备碳化硼陶瓷烧结，此发明中可能存在碳粉残留造成碳化硼中碳过量从而影响碳化硼陶瓷的应用性能。因此，如何提高碳化硼陶瓷性能与降低其成本成为关键所在。