一種具有納米-亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有納米?亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷及其制備方法，屬于陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。該復(fù)合陶瓷重量百分比計(jì)，包括碳化硼70?95％，硼化鋯30?5％，其中硼化鋯的晶粒尺寸在1μm以下，相對(duì)密度99％以上，維氏硬度34?38GPa，斷裂韌性6.8?7.5MPa.m1/2，抗彎強(qiáng)度520?600MPa，它由原料碳化硼、碳化鋯和硼三元混合粉體經(jīng)低壓慢速?高壓快速分段式固相反應(yīng)燒結(jié)工藝制備而成，所述原料按重量百分比計(jì)，包括碳化硼55.13％?92.52％，碳化鋯27.35％?4.56％，硼17.52％?2.92％。本發(fā)明可在較低溫度下通過固相反應(yīng)燒結(jié)制備出具有高韌性、高硬度和較好導(dǎo)電性能的可加工碳化硼?碳化鋯復(fù)合陶瓷，從而解決碳化硼?硼化鋯復(fù)合陶瓷燒結(jié)溫度過高、添加相晶粒過大的缺點(diǎn)。
【專利說明】
-種具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷 及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及碳化棚復(fù)合陶瓷及其制備方法，尤其設(shè)及一種具有納米-亞微米尺度 添加相的高性能碳化棚-棚化錯(cuò)復(fù)合陶瓷的制備方法，屬于陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳化棚陶瓷除了具有耐磨損、抗腐蝕、耐高溫等特點(diǎn)外，其最為突出的優(yōu)點(diǎn)就是兼 具超高硬度(室溫下硬度位居第Ξ;高溫下硬度成為第一)和輕質(zhì)性(密度只有2.52g/cm3， 低于大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料)于一體，是一種重要的結(jié)構(gòu)工程材料。因此，碳化棚在現(xiàn)代工業(yè)、航空 航天和國防建設(shè)領(lǐng)域中具有十分重要的應(yīng)用前景。然而，碳化棚自身的晶體結(jié)構(gòu)決定了其 斷裂初性較低（只有2.2MPa.ml/2左右，低于大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料）、致密化燒結(jié)溫度過高(無壓燒 結(jié)需超過2200°C的高溫）、可加工性能差，運(yùn)嚴(yán)重阻礙了碳化棚陶瓷的批量化制備和廣泛應(yīng) 用。
[0003] 棚化錯(cuò)具有硬度高、導(dǎo)電性好，與碳化棚熱膨脹系數(shù)差異大的特點(diǎn)，將棚化錯(cuò)引入 到碳化棚陶瓷基體中制備成碳化棚-棚化錯(cuò)復(fù)合陶瓷，可在保證碳化棚高硬度的同時(shí)，大幅 度提高其強(qiáng)度、斷裂初性和可加工性能(棚化錯(cuò)加入可提高碳化棚導(dǎo)電性能，從而使其可采 用電火花切割工藝加工）。因此，棚化錯(cuò)是碳化棚陶瓷的理想增強(qiáng)體。然而，由于棚化錯(cuò)也是 耐高溫陶瓷，其自身燒結(jié)溫度也高，因此，棚化錯(cuò)的加入對(duì)降低碳化棚陶瓷燒結(jié)溫度效果有 限，復(fù)合陶瓷依然需要較高的燒結(jié)溫度。此外，工業(yè)生產(chǎn)的棚化錯(cuò)價(jià)格昂貴、粒徑較大，使用 大粒徑棚化錯(cuò)直接與碳化棚粉混合后直接燒結(jié)，無法獲得具有納米或亞微米尺寸的棚化錯(cuò) 增強(qiáng)顆粒，且高的燒結(jié)溫度導(dǎo)致碳化棚和棚化錯(cuò)晶粒異常長(zhǎng)大，從而限制碳化棚-棚化錯(cuò)復(fù) 合陶瓷發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)異性能。由此可見，雖然理論上來說棚化錯(cuò)是碳化棚陶瓷的理想增 強(qiáng)體，但是由于制備技術(shù)的限制，導(dǎo)致碳化棚-碳化錯(cuò)復(fù)合陶瓷燒結(jié)溫度高、增強(qiáng)相晶粒較 大，難W在較低溫度下制備出密實(shí)的、具有納米或亞微米尺度增強(qiáng)相的陶瓷塊體，因此，其 力學(xué)性能無法實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有的效果。
[0004] 如中國發(fā)明專利申請(qǐng)（申請(qǐng)?zhí)枺?01110445242.8申請(qǐng)日：2011-12-28)公開了一種 碳化棚-棚化錯(cuò)復(fù)合陶瓷及其制備方法，該方法W60-95VO1 %的碳化棚粉體(0.5-10皿)為 基體和5-40VO1 %的棚化錯(cuò)粉體(0.5-5μπι)為增強(qiáng)相，直接混料后通過熱壓燒結(jié)工藝制備而 成。燒結(jié)參數(shù)為:在真空或氣氣氣氛下燒結(jié)，升溫速率大約20°C/min,燒結(jié)溫度1900-2100 °C，燒結(jié)壓力20-40M化，燒結(jié)時(shí)間為20-60min。所獲取的碳化棚-棚化錯(cuò)復(fù)合陶瓷的性能如 下:相對(duì)密度大于95 %，抗彎強(qiáng)度為401-497.8MPa，顯微硬度為32-35G化，從附圖上看，其棚 化錯(cuò)增強(qiáng)相的晶粒尺寸大于3WI1。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種具有納 米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷及其制備方法，工藝簡(jiǎn)單、燒結(jié)耗時(shí)短、燒 結(jié)溫度低、對(duì)添加相原料粒徑要求較低，所制備的碳化棚復(fù)合陶瓷擁有高密實(shí)度、高硬度、 高強(qiáng)度、高的斷裂初性和好的可加工性能。
[0006] 本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷，按重量百分比計(jì)，包 括碳化棚70-95%，棚化錯(cuò)30-5%，其中添加相棚化錯(cuò)的晶粒尺寸分布在UimW下，且部分棚 化錯(cuò)的晶粒尺寸分布在500-800nm之間、lOOnm W下。
[0008] 上述具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷，其相對(duì)密度99% W 上，維氏硬度34-38G化，斷裂初性6.8-7.5MPa. ml/2，抗彎強(qiáng)度520-600MPa。
[0009] 上述具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷的制備方法，它由原 料碳化棚、碳化錯(cuò)和棚Ξ元混合粉體經(jīng)低壓慢速-高壓快速分段式固相反應(yīng)燒結(jié)工藝制備 而成，所述原料按重量百分比計(jì)，包括碳化棚55.13%-92.52 %，碳化錯(cuò)27.35%-4.56 %，棚 17.52%-2.92%。
[0010] 優(yōu)選地，上述具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷的制備方法， 包括W下步驟：
[001。 ① W重量百分比計(jì)，稱量原料碳化棚粉體55.13%-92.52%，碳化錯(cuò)粉體4.56%- 27.35 %，棚粉2.92% -17.52 %，其中原料按反應(yīng)方程xB4C+ZrC+6B-( 1+x)B4C+Z巧2完全反 應(yīng)配比，（即碳化棚粉體、碳化錯(cuò)、棚粉的物質(zhì)的量之比為X: 1:6)，且3.7<x<37.3;
[0012] ②將步驟①所述稱量好的原料粉體濕磨混合均勻得到混合料，所得混合料經(jīng)過 濾、除去磨球、干燥得到Ξ元混合粉體；
[0013] ③將所得Ξ元混合粉體通過放電等離子燒結(jié)進(jìn)行低壓慢速-高壓快速分段燒結(jié)， 即可得到具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷。
[0014] 按上述方案，所述濕磨W乙醇作為分散介質(zhì)，磨球采用碳化錯(cuò)球。
[0015] 按上述方案，所述干燥采用噴霧干燥。
[0016] 按上述方案，所述低壓慢速-高壓快速分段燒結(jié)的具體工藝為：120(TCW下，升溫 速率20-30 °C /min，壓力 10-20MPa，在 1200 °C 保溫 3-5min; 1200 °C W 上，升溫速率300-500 °C / min,壓力 80-100MPa，燒結(jié)溫度為 1700-1800°C，保溫 5-lOmin。
[0017] 按上述方案，所述碳化棚粉體平均粒徑為0.5-3um，純度大于96%;碳化錯(cuò)粉體平 均粒徑為0.5-10皿，純度大于98 % ;棚粉平均粒徑為0.8-10皿，純度大于99 %。
[0018] 按上述方案，所述放電等離子燒結(jié)中采用石墨模具，整個(gè)燒結(jié)過程在真空氣氛或 惰性氣氛中燒結(jié)。
[0019] 本發(fā)明的基本原理是:本發(fā)明W碳化棚粉體為基體，碳化錯(cuò)粉體和棚粉為添加相 原料，在升溫過程中，碳化棚先與碳化錯(cuò)反應(yīng)生成非化學(xué)計(jì)量的B4C1-X、目標(biāo)增強(qiáng)相棚化鐵 和附加產(chǎn)物碳。碳的存在會(huì)降低碳化棚陶瓷的硬度和機(jī)械性能，需要除去，而原料中棚粉的 添加能有效除去副產(chǎn)物碳。隨溫度繼續(xù)增加，副產(chǎn)物碳和棚粉反應(yīng)生成碳化棚(正好是基體 相），即棚粉的加入不僅將有害產(chǎn)物碳除去，而且還生成了基體相碳化棚，不會(huì)引入其他雜 物相，保證最終產(chǎn)品碳化棚-棚化錯(cuò)復(fù)合陶瓷的物相純度。此外，碳化棚與碳化錯(cuò)原位反應(yīng) 生成非化學(xué)計(jì)量的B4C1-X，導(dǎo)致碳化棚晶格常數(shù)的改變，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，有利于隨后燒結(jié)致 密化完成。再者，增強(qiáng)相棚化錯(cuò)是由原位反應(yīng)形成的，具有晶粒小（納米或亞微米尺寸）、結(jié) 晶度好、與基體相界面相容性好、能抑制基體碳化棚晶粒長(zhǎng)大的優(yōu)點(diǎn)，有利于通過細(xì)晶強(qiáng)化 機(jī)制和滲濾理論提高復(fù)合陶瓷的力學(xué)和導(dǎo)電性能。
[0020]燒結(jié)制度上看，本發(fā)明采用低壓慢速-高壓快速分段式固相反應(yīng)燒結(jié)工藝。在低溫 階段，為原料反應(yīng)階段，該階段施加一個(gè)合適壓力，使原料顆粒之間充分接觸，同時(shí)采用慢 的升溫速率，保證原料之間原位反應(yīng)進(jìn)行完全，生成目標(biāo)產(chǎn)物。之后，采用快速升溫、短時(shí)間 保溫和高的壓力，能夠有效抑制升溫和燒結(jié)過程中物質(zhì)的傳質(zhì)過程，使形成的亞微米級(jí)添 加相晶粒來來不及長(zhǎng)大，就被高壓壓制成了陶瓷塊體，其主要致密化機(jī)制不再是物質(zhì)傳輸， 而是紅熱狀態(tài)樣品在高壓下產(chǎn)生晶界滑移和塑形變形，從而實(shí)現(xiàn)快速致密化。加之原位反 應(yīng)生成非化學(xué)計(jì)量的B4C1-X的自身特點(diǎn)也有利于燒結(jié)致密化完成，因此，本發(fā)明的原料反應(yīng) 體系結(jié)合低壓慢速-高壓快速分段式反應(yīng)燒結(jié)工藝可W在較低溫度下制備出具有納米-亞 微米尺寸增強(qiáng)相的高性能可加工碳化棚-棚化錯(cuò)復(fù)合陶瓷。
[0021 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：
[0022] 第一，本發(fā)明通過固相原位反應(yīng)，在沒有液體和氣體產(chǎn)生的情況下，原位形成具有 納米-亞微米尺寸的棚化錯(cuò)增強(qiáng)顆粒，同時(shí)通過棚粉將副產(chǎn)物碳轉(zhuǎn)化成基體相碳化棚，不但 能提高基體的力學(xué)性能，還能避免其他雜質(zhì)物相的生成，保證了碳化棚-棚化錯(cuò)復(fù)合陶瓷的 組分純度。
[0023] 第二，本發(fā)明所述復(fù)合陶瓷中，第二相棚化錯(cuò)和部分基體相碳化棚都通過原位反 應(yīng)生成的，具有純度高、晶粒細(xì)小、與基體相界面相容性好、分布均勻的特點(diǎn)，能有效有提高 復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能，從而保證復(fù)合陶瓷材料的使用可靠性。
[0024] 第Ξ，本發(fā)明采用低壓慢速-高壓快速分段式反應(yīng)燒結(jié)工藝，可W保證原料前期充 分反應(yīng)、后期低溫快速致密化，并防止晶粒長(zhǎng)大，從而能在較低溫度下制備出具有納米-亞 微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷。
[0025] 第四，本發(fā)明對(duì)添加相原料原始粒徑要求較低、工藝簡(jiǎn)單，燒結(jié)溫度底、耗時(shí)短、可 操作性強(qiáng)、制品力學(xué)性能和可加工性能好，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例2中原料W及復(fù)合陶瓷的XRD圖，其中（a)原料粉體；（b)具有納 米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷。
[0027] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例2所得具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷 低倍數(shù)斷面沈Μ圖。
[0028] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例2所得具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷 高倍數(shù)斷面沈Μ圖及其BSE圖，其中（a)SEM圖，（b)BSE圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的 內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0030] 實(shí)施例1
[0031] -種具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷，按重量百分比計(jì)，包 括碳化棚70%，棚化錯(cuò)30%，其中棚化錯(cuò)的晶粒尺寸在1皿W下。其制備方法為:按重量百分 比計(jì)，由55.13%的碳化棚粉體(平均粒徑3um，純度96% )，27.35%的碳化錯(cuò)粉體(平均粒徑 lOum，純度98% )，17.52%的棚粉(平均粒徑lOum，純度99% )經(jīng)低壓慢速-高壓快速過分段 式反應(yīng)燒結(jié)工藝制備而成。具體步驟包括：
[0032] ① W重量百分比計(jì)，稱量原料碳化棚粉體55.13%，碳化錯(cuò)粉體27.35%，棚粉 17.52% ；
[0033] ②將步驟①所述稱量好的原料粉體在滾筒球磨機(jī)中混料，W乙醇作為分散介質(zhì)， 磨球的材料為碳化錯(cuò)，所得混合料經(jīng)過濾、除去磨球、噴霧干燥得到Ξ元混合粉體；
[0034] ③將所得到的Ξ元混合粉體通過放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行低壓慢速-高壓快速 分段燒結(jié)，采用高強(qiáng)石墨模具，混合粉體與模具、壓頭之間用石墨紙隔開，整個(gè)燒結(jié)過程在 真空氣氛中燒結(jié)，具體燒結(jié)工藝為：1200°C W下，升溫速率20°C/min，壓力20MPa，在1200°C 保溫5min; 1200°C W上，升溫速率300°C/min，壓力80MPa，燒結(jié)溫度為1800°C，保溫5min，自 然冷卻，即可得到具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷。
[0035] 本實(shí)施例所得具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷樣品的性能 如下:相對(duì)密度99.4%，維氏硬度34.6GPa，斷裂初性7.19MPa.ml/2，抗彎強(qiáng)度572MPa。
[0036] 實(shí)施例2
[0037] -種具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷，按重量百分比計(jì)，包 括碳化棚70%，棚化錯(cuò)30%，其中棚化錯(cuò)的晶粒尺寸在1皿W下。其制備方法為:按重量百分 比計(jì)，由55.13%的碳化棚粉體(平均粒徑lum，純度98% )，27.35%的碳化錯(cuò)粉體(平均粒徑 3um，純度99% )，17.52%的棚粉(無定型棚，平均粒徑2um，純度99% )經(jīng)低壓慢速-高壓快速 過分段式反應(yīng)燒結(jié)工藝制備而成。具體步驟包括：
[003引① W重量百分比計(jì)，稱量原料碳化棚粉體55.13%，碳化錯(cuò)粉體27.35%，棚粉 17.52% ；
[0039] ②將步驟①所述稱量好的原料粉體在滾筒球磨機(jī)中混料，W乙醇作為分散介質(zhì)， 磨球的材料為碳化錯(cuò)，所得混合料經(jīng)過濾、除去磨球、噴霧干燥得到Ξ元混合粉體；
[0040] ③將所得到的Ξ元混合粉體通過放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行低壓慢速-高壓快速 分段燒結(jié)，采用高強(qiáng)石墨模具，混合粉體與模具、壓頭之間用石墨紙隔開，整個(gè)燒結(jié)過程在 氣氣氣氛中燒結(jié)，具體燒結(jié)工藝為：1200°C W下，升溫速率30°C/min，壓力15MPa，在1200°C 保溫3min; 1200°C W上，升溫速率400°C/min，壓力lOOMPa，燒結(jié)溫度為1750°C，保溫8min，自 然冷卻，即可得到具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷。
[0041] 本實(shí)施例所得具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷樣品的性能 如下：相對(duì)密度99.5%，維氏硬度34.2GPa，斷裂初性7.23MPa.ml/2，抗彎強(qiáng)度593MPa。
[0042] 實(shí)施例3
[0043] 本實(shí)施例與實(shí)施例2的不同之處在于，所述復(fù)合陶瓷按重量百分比計(jì)，包括碳化棚 80%、棚化錯(cuò)20 %，其原料為70.09wt. %的碳化棚粉體、18.23wt. %的碳化錯(cuò)粉體和 11.68wt. %的棚粉。
[0044] 實(shí)施例4
[0045] 本實(shí)施例與實(shí)施例2的不同之處在于，所述復(fù)合陶瓷按重量百分比計(jì)，包括碳化棚 90%、棚化錯(cuò)10 %，其原料為85.04wt. %的碳化棚粉體、9.12wt. %的碳化錯(cuò)粉體和 5.84wt. %的棚粉。
[0046] 實(shí)施例5
[0047] 本實(shí)施例與實(shí)施例2的不同之處在于，所述復(fù)合陶瓷按重量百分比計(jì)，包括碳化棚 95 %、棚化錯(cuò)5 %，其原料為92.52wt. %的碳化棚粉體、4.56wt. %的碳化錯(cuò)粉體和 2.92wt. %的棚粉。
[0048] 本發(fā)明實(shí)施例2-5所制備的具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶 瓷的相對(duì)密度、維氏硬度、斷裂初性和抗彎強(qiáng)度如表1所示：
[0049] 表 1 [(K)加]
[0化1 ] 實(shí)施例6
[0052] -種具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷，按重量百分比計(jì)，包 括碳化棚95%，棚化錯(cuò)5%，其中棚化錯(cuò)的晶粒尺寸在lymW下。其制備方法為:按重量百分 比計(jì)，由92.52%的碳化棚粉體(平均粒徑0.加 m，純度98% ),4.56%的碳化錯(cuò)粉體(平均粒 徑0.5um，純度99 % )，2.92%的棚粉(平均粒徑0. Sum，純度99 % )經(jīng)低壓慢速-高壓快速過分 段式反應(yīng)燒結(jié)工藝制備而成。具體步驟包括：
[0053] ① W重量百分比計(jì)，稱量原料碳化棚粉體92.52%，碳化錯(cuò)粉體4.56%，棚粉 2.92%；
[0054] ②將步驟①所述稱量好的原料粉體在滾筒球磨機(jī)中混料，W乙醇作為分散介質(zhì)， 磨球的材料為碳化錯(cuò)，所得混合料經(jīng)過濾、除去磨球、噴霧干燥得到Ξ元混合粉體；
[0055] ③將所得到的Ξ元混合粉體通過放電等離子燒結(jié)設(shè)備中進(jìn)行低壓慢速-高壓快速 分段燒結(jié)，采用高強(qiáng)石墨模具，混合粉體與模具、壓頭之間用石墨紙隔開，整個(gè)燒結(jié)過程在 氣氣氣氛中燒結(jié);具體燒結(jié)工藝為：1200°C W下，升溫速率30°C/min，壓力lOMPa，在1200°C 保溫3min;1200°CW上，升溫速率500°C/min，壓力lOOMPa，燒結(jié)溫度為1700°C，保溫lOmin， 自然冷卻，即可得到具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷。
[0056] 本實(shí)施例所得具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷樣品的性能 如下:相對(duì)密度99.3%，維氏硬度37. IGPa，斷裂初性6.84MPa.ml/2，抗彎強(qiáng)度531MPa。
[0057] 下面結(jié)合圖例具體介紹本發(fā)明制備的具有納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化 棚復(fù)合陶瓷的特點(diǎn)(包括相對(duì)密度、維氏硬度、斷裂初性和抗彎強(qiáng)度）。
[0058] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例2中原料W及陶瓷制品的XRD圖，其中圖1 (a)是原始粉體的XRD 譜圖，圖1(b)是制備復(fù)合陶瓷樣品的XRD譜圖。譜圖1(a)中含有明顯的碳化棚、碳化錯(cuò)的衍 射峰，說明原始粉體中包含碳化棚和碳化錯(cuò)，而因?yàn)椴捎玫呐锓蹫闊o定型棚，又因棚與其他 兩相相對(duì)原子質(zhì)量相差較大，因此在譜圖中棚粉衍射峰被掩蓋，沒有顯示出來；圖1(b)中碳 化錯(cuò)的衍射峰徹底消失，強(qiáng)的棚化錯(cuò)的衍射出現(xiàn)，且只存在碳化棚、棚化錯(cuò)兩種物相的衍射 峰，說明原料碳化棚、碳化錯(cuò)和棚經(jīng)過反應(yīng)燒結(jié)后完全形成了碳化棚和棚化錯(cuò)物相，沒有其 他雜相生成。因此，本發(fā)明所采用的原料體系及其燒結(jié)方法是可行的，可W獲得預(yù)期組分的 復(fù)合陶瓷制品。
[0059] 圖2為實(shí)施例2獲取復(fù)合陶瓷樣品的低倍數(shù)斷面SEM圖，可W看出，樣品幾乎達(dá)到完 全致密，且樣品斷面凹凸不平，呈現(xiàn)出明顯的沿晶斷裂方式；同時(shí)添加相棚化錯(cuò)分布均勻， 其晶粒尺寸小于1皿。
[0060] 圖3為實(shí)施例2獲取復(fù)合陶瓷樣品的高倍數(shù)斷面SEM圖及其對(duì)應(yīng)的B沈圖（暗灰色為 碳化棚;亮灰色為棚化錯(cuò)），可W看出，樣品中棚化錯(cuò)晶粒與碳化棚基體之間呈現(xiàn)明顯的沿 晶斷裂，并有顆粒拔出現(xiàn)象。運(yùn)是由于碳化棚與棚化錯(cuò)兩相物質(zhì)熱膨脹系數(shù)嚴(yán)重失配所照 成的，運(yùn)種斷裂方式有助于基體斷裂初性的提高。此外，由圖3還可知:棚化錯(cuò)的晶粒尺寸大 約在500-800nm之間，但也存在lOOnmW下的納米級(jí)晶粒，形成納米-亞微米級(jí)添加相晶粒有 助于陶瓷基體力學(xué)性能的提高，從而實(shí)現(xiàn)低溫制備高性能碳化棚-棚化錯(cuò)復(fù)合陶瓷（即具有 納米-亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷)的目標(biāo)。
[0061] 綜上，由實(shí)施例1-6可知，本發(fā)明制備出的碳化棚-棚化錯(cuò)復(fù)合陶瓷（即具有納米- 亞微米尺度棚化錯(cuò)添加相的碳化棚復(fù)合陶瓷)具有高的密實(shí)度和優(yōu)異的力學(xué)性能。對(duì)比實(shí) 施例2-5可得到如下規(guī)律:在相同的工藝條件下，隨棚化錯(cuò)含量的增加，復(fù)合陶瓷樣品的維 氏硬度逐漸降低，但最小值也大于％GPa(%-38G化之間）；斷裂初性逐漸增加，最高可到 7.23MPa.mi/2(6.8-7.3MPa.mi/2之間）；抗彎強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，最高可達(dá)593MPa(524-593MPa 之間）；相對(duì)密度均大于99%，說明在制備高性能碳化棚-棚化錯(cuò)復(fù)合陶瓷上，該發(fā)明所提出 的原料體系及其制備工藝具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。
[0062] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所列舉的各原料都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，各原料 的上下限取值W及其區(qū)間值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，本發(fā)明工藝參數(shù)(如配比、溫度、時(shí)間等）的上 下限取值W及其區(qū)間值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和變換，運(yùn)些 都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有納米-亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷，其特征在于按重量百 分比計(jì)，包括碳化硼70-95%，硼化鋯30-5%，其中添加相硼化鋯的晶粒尺寸在ιμπι以下。2. -種具有納米-亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在 于它由原料碳化硼、碳化鋯和硼三元混合粉體經(jīng)低壓慢速-高壓快速分段式固相反應(yīng)燒結(jié) 工藝制備而成，所述原料按重量百分比計(jì)，包括碳化硼55.13 % -92.52 %，碳化鋯27.35 % -4.56%，硼 17·52%-2·92%。3. -種具有納米-亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在 于包括以下步驟： ① 以重量百分比計(jì)，稱量原料碳化硼粉體55 . 13 % -92.52 %，碳化鋯粉體4.56%_ 27.35%，硼粉2.92%-17.52%，其中原料按反應(yīng)方程xB4C+ZrC+6B -（l+x)B4C+ZrB2完全反 應(yīng)配比，且3.7〈x〈37.3; ② 將步驟①所述稱量好的原料粉體濕磨混合均勻得到混合料，所得混合料經(jīng)過濾、除 去磨球、干燥得到三元混合粉體； ③ 將所得三元混合粉體通過放電等離子燒結(jié)進(jìn)行低壓慢速-高壓快速分段燒結(jié)，即可 得到具有納米-亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有納米-亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷 的制備方法，其特征在于所述濕磨以乙醇作為分散介質(zhì)，磨球采用碳化鋯球。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有納米-亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷 的制備方法，其特征在于所述干燥采用噴霧干燥。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有納米-亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷 的制備方法，其特征在于所述低壓慢速-高壓快速分段燒結(jié)的具體工藝為 ：1200°C以下，升 溫速率20-30°C/min，壓力 10-20MPa，在 1200°C保溫3-5min; 1200°C 以上，升溫速率300-500 °C/min，壓力 80-100MPa，燒結(jié)溫度為 1700-1800°C，保溫 5-10min。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有納米-亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷 的制備方法，其特征在于所述碳化硼粉體平均粒徑為〇. 5-3um，純度大于96 %。8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有納米-亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷 的制備方法，其特征在于所述碳化鋯粉體平均粒徑為〇. 5-1 Oum，純度大于98 %。9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有納米-亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷 的制備方法，其特征在于所述硼粉平均粒徑為〇. S-IOum，純度大于99 %。10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有納米-亞微米尺度硼化鋯添加相的碳化硼復(fù)合陶瓷 的制備方法，其特征在于所述放電等離子燒結(jié)中采用石墨模具，整個(gè)燒結(jié)過程在真空氣氛 或惰性氣氛中燒結(jié)。
【文檔編號(hào)】C04B35/64GK105948752SQ201610297343
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月6日
【發(fā)明人】張志曉, 張曉榮, 田仕, 王愛陽, 何強(qiáng)龍, 王為民, 傅正義
【申請(qǐng)人】河北工程大學(xué)