專利名稱：一種碳化硼復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料的制備方法，具體涉及一種碳化硼復(fù)合材料的制備方法。
技術(shù)背景碳化硼具有密度低、抗酸堿腐蝕能力好、中子吸收能力強的特點，而且還具有超高的硬度，特別是其恒定的高溫硬度是其他材料所無法比擬的。是摩擦制品、核工業(yè)中子防護材料、 防彈材料等領(lǐng)域重點開發(fā)的內(nèi)容。目前制造碳化硼陶瓷材料有無壓燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩類方法。經(jīng)無壓燒結(jié)制造的碳化硼制 品的致密度低，而導(dǎo)致其技術(shù)性能指標(biāo)不能滿足各類產(chǎn)品的要求。在碳化硼中添加第二相顆 粒可以提高其斷裂韌性，但其綜合性能指標(biāo)仍然不能滿足要求。熱壓燒結(jié)方法是制造高致密 度碳化硼制品的主要方法。但是由于碳化硼性質(zhì)的特殊性，熱壓法生產(chǎn)的制品仍然具有脆性 大的缺點，而且采用熱壓方法很難加工形狀復(fù)雜的構(gòu)件，另外熱壓法的成本較高。以上問題 都是限制碳化硼陶瓷材料廣泛應(yīng)用的原因。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對無壓燒結(jié)的碳化硼材料致密度低、脆性大的問題，提供一種碳化硼 復(fù)合材料的制備方法。其制備過程簡單，而且對制備環(huán)境及設(shè)備的要求較低，不僅有利于提 高材料得致密度，而且有利于降低生產(chǎn)成本。同時達(dá)到在單一碳化硼材料的基礎(chǔ)上提高斷裂 韌性，擴大碳化硼陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明碳化硼復(fù)合材料的制備方法，按如下步驟進行(1) 配料成形按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計，金屬氧化物粉末為5 50%，余量為碳化硼粉末，進行配料，選用酚醛樹脂一丙酮溶液作為粘結(jié)劑，加入量為物料總量的5 15wt%，將物料混 合后，采用24 60目的篩子造粒；造粒后的物料在100 150MPa下模壓成預(yù)制坯；然后(2) 無壓預(yù)燒將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐中，抽真空至20 100Pp以5 8。C/min速度 升溫至1850 2060。C，保溫10 60分鐘，得到碳化硼基多孔預(yù)燒體；(3) 真空熔滲將多孔預(yù)燒體在真空中熔滲鋁，熔滲工藝為900 110(TC，保溫0.5 2h， 真空度為5 100Pa。所述的氧化物粉末為氧化鈦純度〉98wtwt。/。，平均粒徑為1 5pm或氧化鋯純度〉 98wt%，平均粒徑為1 5nm或氧化鋁純度〉wt98。/。，平均粒徑為l 5|_im。所述碳化硼粉末 純度均〉97wt。/。，按粒徑分為A和B兩種，其A與B質(zhì)量配比為0.1~0.3。 A種碳化硼粉末的平均粒徑為0.5 3ptn， B種碳化硼粉末的平均粒徑為10 30|am。熔滲所用的鋁為工業(yè)鋁 合金。作為粘結(jié)劑的酚醛樹脂一丙酮溶液中酚醛樹脂含量為50wt%。 本發(fā)明與現(xiàn)行的碳化硼材料制造方法相比有如下三方面的優(yōu)點-(1) 在單一碳化硼材料的基礎(chǔ)上提高斷裂韌性1.78 2.75倍，使碳化硼陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。(2) 通過無壓預(yù)燒及真空滲鋁得到的碳化硼復(fù)合材料，其制備過程簡單，而且對制備環(huán) 境及設(shè)備的要求較低，不僅有利于提高材料的致密度，而且有利于降低生產(chǎn)成本。(3) 采用無壓預(yù)燒及真空滲鋁的制備方法可以生產(chǎn)各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，有利于市場的拓展。此方法操作簡單，易于在碳化硼陶瓷材料制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
具體實施方式
例l:配料成形，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%添加Ti02，其純度為99wtW，余量為B4C，純度為 98wt%，其中A粉ds(rlnm， B粉dso-2(^m， A與B按質(zhì)量比為0.25添加，采用球磨混料， 介質(zhì)為無水乙醇，磨球為剛玉球。物料球磨24h后，在6(TC烘干18h，按物料總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 15%加入酚醛樹脂一丙酮溶液粘結(jié)劑，粘結(jié)劑中酚醛樹脂含量為50wt%，然后采用60目的篩 子造粒，并在150MPa下模壓成形，成形試樣經(jīng)IO(TC烘干12h。無壓預(yù)燒，將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至100Pa，再以5'C/min的速度升溫至 2050°C，保溫30min,得到碳化硼基多孔預(yù)燒體。真空熔滲，將多孔預(yù)燒體在真空中熔滲鋁，抽真空至50Pa，再以10'C/min的速度升溫至 IIO(TC，保溫2h，得到B4C-TiB2-Al陶瓷金屬復(fù)合材料。經(jīng)檢測，其體積密度為2.68g/cm3; 硬度為82.6HRA;斷裂韌性8.03MPa'm1/2;抗折強度466.2MPa。此結(jié)果比單一碳化硼材料的 斷裂韌性提高了2.65倍。例2:配料成形，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%添加Ti02，其純度為99wt。/。，余量為B4C，純度為 98wt%，其中A粉d5o=lnm， B粉為d5Q=20nm， A與B按質(zhì)量比為0.3添加，采用球磨混料， 介質(zhì)為無水乙醇，磨球為剛玉球。il料球磨24h后，在6(TC烘干18h，按物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的15% 加入酚醛樹脂一丙酮溶液粘結(jié)劑，粘結(jié)劑中酚醛樹脂含量為50wt%，然后采用60目的篩子造 粒，并在150MPa下模壓成形，成形試樣經(jīng)IOO'C烘干12h。 '無壓預(yù)燒，將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至lOOPa，再以5°C/min的速度升溫至 2050°C，保溫30min，得到碳化硼基多孔預(yù)燒體。真空熔滲，將多孔預(yù)燒體在真空中熔滲鋁，抽真空至50Pa，再以1(TC/min的速度升溫至 IIO(TC，保溫2h，得到B4C-TiB2-Al陶瓷金屬復(fù)合材料。經(jīng)檢測，經(jīng)檢測，其體積密度為 2.87g/cm3;.硬度為81.3HRA;斷裂韌性7.92MPa'm1/2;抗折強度578.7MPa。此結(jié)果比單一碳 化硼材料的斷裂韌性提高了 2.6倍。例3:配料成形，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%添加Zr02，其純度為99.5wtM，余量為B4C，純度為 99wt%，其中A粉d5()=0.5pm， B粉d5o=l(^m， A與B按質(zhì)量比0.1添加，采用球磨混料， 介質(zhì)為無水乙醇，磨球為剛玉球。物料球磨24h后，在6(TC烘干18h，按物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的10% 加入酚醛樹脂一丙酮溶液粘結(jié)劑，粘結(jié)劑中酚醛樹脂含量為50wt%，然后采用24目的篩子造 粒，并在100MPa下模壓成形，成形試樣經(jīng)IOO'C烘干12h。無壓預(yù)燒，將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至50Pa，再以8°C/min的速度升溫至2060 °C，保溫60min，得到碳化硼基多孔預(yù)燒體。真空熔滲，將多孔預(yù)燒體在真空中熔滲鋁，抽真空至5Pa，再以1(TC/min的速度升溫至 900°C，保溫lh，得到B4C-ZrB2-Al陶瓷金屬復(fù)合材料。經(jīng)檢測，其體積密度為2.79g/cm3; 硬度為87.5HRA;斷裂韌性6.12MPaW、抗折強度360.4MPa。此結(jié)果比單一碳化硼材料斷 裂韌性提高了 1.78倍。例4:配料成形，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%添加Zr02，其純度為99.5wt%，余量為B4C，純度 為99wt15/。，其中A粉d5o-0.5pm， B粉d5o=l(^m， A與B按質(zhì)量比為0.1添加，采用球磨混 料，介質(zhì)為無水乙醇，磨球為剛玉球。物料球磨24h后，在60'C烘干18h，按物料質(zhì)量分?jǐn)?shù) 的10%加入酚醛樹脂一丙酮溶液粘結(jié)劑，粘結(jié)劑中酚醛樹脂含量為50wt%，然后釆用24目 的篩子造粒，并在100MPa下模壓成形，成形試樣經(jīng)IOO'C烘干12h。無壓預(yù)燒，將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至50Pa，再以8'C/min的速度升溫至2060 °C，保溫60min，得到碳化硼基多孔預(yù)燒體。真空熔滲，將多孔預(yù)燒體在真空中熔滲鋁，抽真空至5Pa，再以1(TC/min的速度升溫至 900°C，保溫lh，得到B4C-ZrB2-Al陶瓷金屬復(fù)合材料。經(jīng)檢測，其體積密度為3.17g/cm3; 硬度為82HRA;斷裂韌性8.26MPa*m1/2;抗折強度512.9MPa。此結(jié)果比單一碳化硼材料的斷 裂韌性提高了2.75倍。例5:配料成形，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%添加A1203，其純度為99wt。/。，余量為B4C，純度為 98wt%，其中A粉d5()=3nm， B粉d5o=304m， A與B按質(zhì)量比為0.2添加，采用球磨混料， 介質(zhì)為無水乙醇，磨球為剛玉球。物料球磨24h后，在6(TC烘干18h，按物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5% 加入酚醛樹脂一丙酮溶液粘結(jié)劑，粘結(jié)劑中酚醛樹脂含量為50wt%，然后采用50目的篩子造 粒，并在150MPa下模壓成形，成形試樣經(jīng)IO(TC烘干12h。無壓預(yù)燒，將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至20Pa，再以6'C/min的速度升溫至1850 'C，保溫10min，得到碳化硼基多孔預(yù)燒體。 .真空熔滲，多孔預(yù)燒體在真空中熔滲鋁，抽真空至100Pa，再以10。C/min的速度升溫至 IOOO'C，保溫0.5h，得到B4C-Al203-Al陶瓷金屬復(fù)合材料。經(jīng)檢測，其體積密度為2.4g/cm3; 硬度為83.6HRA;斷裂韌性6.37MPaTn1/2;抗折強度408.6MPa。此結(jié)果比單一碳化硼材料斷 裂韌性提高了 1.9倍。例6:配料成形，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為250%添加A1203，其純度為99wt。/。，余量為B4C，純度 為98wt%，其中A粉d5G=3|am， B粉d5(p3(^m， A與B按質(zhì)量比為0.2添加，采用球磨混料， 介質(zhì)為無水乙醇，磨球為剛玉球。物料球磨24h后，在6(TC烘干18h，按物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5% 加入酚醛樹脂一丙酮溶液粘結(jié)劑，粘結(jié)劑中酚醛樹脂含量為50wt%，然后采用50目的篩子造 粒，并在150MPa下模壓成形，成形試樣經(jīng)IO(TC烘干12h。無壓預(yù)燒，將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空至20Pa，再以6'C/min的速度升溫至1850 °C，保溫10min，得到碳化硼基多孔預(yù)燒體。真空熔滲，多孔預(yù)燒體在真空中熔滲鋁，抽真空至100Pa，再以1(TC/min的速度升溫至 IOO(TC，保溫0.5h，得到B4C-A1203-A1陶瓷金屬復(fù)合材料。經(jīng)檢測，其體積密度為2.48g/cm3; 硬度為85.6HRA;斷裂韌性6.42MPa'm1/2;抗折強度432.7MPa。此結(jié)果比單一碳化硼材料斷 裂韌性提高了 1.92倍。
權(quán)利要求
1、一種碳化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于按如下步驟進行(1)配料成形按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計，金屬氧化物粉末為5～50％，余量為碳化硼粉末，進行配料，選用酚醛樹脂-丙酮溶液作為粘結(jié)劑，加入量為物料總量的5～15wt％，將物料混合后，采用24～60目的篩子造粒；造粒后的物料在100～150MPa下模壓成預(yù)制坯；然后(2)無壓預(yù)燒將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐中，抽真空至20～100Pa，以5～8℃/min速度升溫至1850～2060℃，保溫10～60分鐘，得到碳化硼基多孔預(yù)燒體；(3)真空熔滲將多孔預(yù)燒體在真空中熔滲鋁，熔滲工藝為900～1100℃，保溫0.5～2h，真空度為5～100Pa。
2、按照權(quán)利要求1所述碳化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的氧化物粉末為氧 化鈦純度〉98wt。/。，平均粒徑為1 5nm或氧化鋯純度〉98wt。/。，平均粒徑為l 5|nm或氧化 鋁純度〉98wt。/。，平均粒徑為1 5nm。
3、 按照權(quán)利要求1所述碳化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述碳化硼粉末純度 均〉97wt。/。，按粒徑分為A和B兩種，其A與B質(zhì)量配比為0.1-0.3。
4、 按照權(quán)利要求3所述碳化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于A種碳化硼粉末的 平均粒徑為0.5 3|am， B種碳化硼粉末的平均粒徑為10 30|im。
5、 按照權(quán)利要求1所述碳化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于熔滲所用的鋁為工業(yè) 鋁合金。
6、 按照權(quán)利要求1所述碳化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于作為粘結(jié)劑的酚醛樹 脂一丙酮溶液中酚醛樹脂含量為50wt%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳化硼復(fù)合材料的制備方法，特征是步驟如下按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計取金屬氧化物粉末5～50％，余量為碳化硼粉末，混合配料，在100～150MPa下模壓成預(yù)制坯；然后將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐中，抽真空至20～100Pa，以5～8℃/min速度升溫至1850～2060℃，保溫10～60分鐘，得到碳化硼基多孔預(yù)燒體；最后在真空條件下熔滲鋁，熔滲工藝為900～1100℃，保溫0.5～2h，真空度為5～100Pa。本發(fā)明優(yōu)點和產(chǎn)生積極效果是在單一碳化硼材料的基礎(chǔ)上提高斷裂韌性1.78～2.75倍；生產(chǎn)成本低；制備方法簡單，有利于加工成各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，易于在碳化硼陶瓷材料制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
文檔編號C04B35/563GK101215164SQ20081001012
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者鵬 呂, 亮 喻, 孫旭東, 良 左, 茹紅強 申請人:東北大學(xué)