專(zhuān)利名稱(chēng)：一種制備碳化硼陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備陶瓷的方法，特別是制備碳化硼陶瓷的方法。
技術(shù)背景碳化硼是一種重要的工程材料，硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，具有高硬度、高模量、 低密度以及良好的耐磨性、抗氧化性、耐酸堿性、高溫?zé)犭娦院椭凶游招阅?。碳化硼的這 些優(yōu)良性能使其可用作防彈材料、防輻射材料、耐磨和自潤(rùn)滑材料、特種耐酸堿侵蝕材料、 切割研磨工具材料、高溫?zé)犭姴牧?、原子反?yīng)堆控制和屏蔽材料等，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、 化工、航空航天、軍工和核工業(yè)等領(lǐng)域。目前生產(chǎn)碳化硼陶瓷的方法是先用碳熱法和鎂熱法制備碳化硼粉末，再用熱等靜壓和熱 壓對(duì)所制備的碳化硼粉末進(jìn)行燒結(jié)。碳熱法、鎂熱法在制備過(guò)程中會(huì)引入多種雜質(zhì)，而且合 成的粉末化學(xué)成分與物相組成單一，硼碳原子比一般為4:1。熱等靜壓工藝較復(fù)雜，不適合 工業(yè)化生產(chǎn)。熱壓燒結(jié)溫度高，產(chǎn)品晶粒較大，摻雜燒結(jié)可有效降低燒結(jié)溫度，但又會(huì)引入 其它雜質(zhì)元素，難以滿足純度的要求，而且也會(huì)導(dǎo)致材料硬度的下降和密度的提高，不能充 分體現(xiàn)碳化硼陶瓷硬度大、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種制備碳化硼陶瓷的方法，該方法制備的碳化硼 陶瓷的純度高，硼碳比多樣，硬度高。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是 一種制備碳化硼陶瓷的方法，具體步驟包括第一步、稱(chēng)取硼粉和碳粉，硼、碳摩爾比為0.5 — 22. 5，混合；第二步、將第一步制備的粉料放入模具中送入放電等離子燒結(jié)設(shè)備(Spark Plasma Sintering ， SPS)中燒結(jié)，在真空條件下升溫至1300—2200'C;第三步、將模具從放電等離子燒結(jié)設(shè)備中取出，降溫至室溫，退去模具，成品。 上述方案的第二步中使用的模具為石墨模具，粉料與模具之間隔有石墨紙。 上述方案的硼粉和碳粉的平均粒度均為0. OOl — lOOMm。 上述方案的硼粉和碳粉的純度均為98_99. 999%。 上述方案的硼粉為單質(zhì)硼、硼酸、硼酐中的一種。 上述方案的碳粉為石墨粉、炭黑、石油焦粉、活性炭粉中的一種。上述方案的第二步具體為將第一步制備的粉料放入模具中送入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中 燒結(jié)，在真空條件下升溫至1300—2200'C;保持時(shí)間為0 — 30分鐘。上述方案的第二步具體為將第一步制備的粉料放入模具中送入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中燒結(jié)，在真空度l一100Pa、預(yù)壓力0—100MPa條件下升溫至1300 — 220(TC。 上述方案的第二步中，放電等離子燒結(jié)設(shè)備的升溫速率50 — 20(TC/分鐘。 本發(fā)明制備碳化硼陶瓷的方法工作原理本發(fā)明采用直接合成法合成碳化硼，放電等離子燒結(jié)設(shè)備通過(guò)放電等離子燒結(jié)技術(shù)融等 離子活化、電阻加熱為一體，在粉末顆粒間產(chǎn)生直流脈沖電流，并有效利用了粉體顆粒間放 電產(chǎn)生的自發(fā)熱作用，具有升溫速度快、燒結(jié)時(shí)間短、晶粒均勻、有利于控制燒結(jié)體的細(xì)微 結(jié)構(gòu)、獲得的材料致密度高、性能好等特點(diǎn)，放電等離子燒結(jié)設(shè)備利用直流脈沖電流直接通 電燒結(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖電流的大小控制升溫速率和燒結(jié)溫度。燒結(jié)過(guò)程中，脈沖電流直接通 過(guò)上下壓頭和燒結(jié)粉體或模具，升溫和傳熱速度快，從而使快速升溫?zé)Y(jié)成為可能。本發(fā)明方法，碳化硼的直接合成和致密化一次快速完成，粉末在真空條件下燒結(jié)，制備 的碳化硼陶瓷的純度高，硼碳比多樣，硬度高。本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)還在于1、 通過(guò)放電等離子燒結(jié)設(shè)備的上下壓頭向模具中的粉末施加預(yù)壓力，可通過(guò)熱壓燒結(jié)的 焦耳熱和加壓造成的塑性變形促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程，制備的碳化硼陶瓷致密度高。2、 硼粉和碳粉的純度均為98 — 99.999%，進(jìn)一步提高碳化硼陶瓷致的純度。3、 硼粉和碳粉的平均粒度均為0.001 — 100Mm，制備的碳化硼陶瓷的晶粒度小。


圖1是原料的XRD圖譜 圖2是所制備的碳化硼陶瓷的XRD圖譜 圖3是SPS燒結(jié)過(guò)程的收縮位移、溫度和電流的變化曲線 圖4是樣品的密度和致密度具體實(shí)施方式
本發(fā)明制備碳化硼陶瓷的方法實(shí)施例1,具體步驟包括-第一步、稱(chēng)取純度為98°/。、平均粒度為O.OOlMm的單質(zhì)硼粉和石墨粉，上述原料中硼碳 摩爾比為0.5，在瑪瑙研缽里混合均勻；第二步、將第一步制備的粉料放入最高使用壓力為60MPa的高強(qiáng)石墨模具中，粉料與模 具之間隔有石墨紙，送入放電等離子燒結(jié)設(shè)備(Dr. Sinterl050 SPS， Sumitomo Coal Mining Co., Tokyo, Japan)中燒結(jié)，在真空度1Pa的真空條件下、以5(TC/min的升溫速率升溫至 1300°C;第三步、將模具從放電等離子燒結(jié)設(shè)備中取出，自然降溫至室溫，退去模具，成品。本發(fā)明制備碳化硼陶瓷的方法實(shí)施例2，具體步驟包括:第一步、稱(chēng)取純度為99%、平均粒度為0.01剛的硼酸粉和炭黑粉，上述原料中硼碳摩爾比為3.0，用混料機(jī)混合均勻；第二步、將第一步制備的粉料放入最高使用壓力為80MPa的高強(qiáng)石墨模具中，粉料與模 具之間隔有石墨紙，送入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中燒結(jié)，在真空度5Pa的真空、預(yù)壓力10MPa 的條件下、以100'C/min的升溫速率升溫至150CTC，保溫3min;第三步、將模具從放電等離子燒結(jié)設(shè)備中取出，自然降溫至室溫，退去模具，成品。本發(fā)明制備碳化硼陶瓷的方法實(shí)施例3，具體步驟包括第一步、稱(chēng)取純度為99.9%、平均粒度為O.l陶的硼酐粉和石油焦粉，上述原料中硼碳 摩爾比為4. 0，在瑪瑙研缽里混合均勻；第二步、將第一步制備的粉料放入最高使用壓力為90MPa的高強(qiáng)石墨模具中，粉料與模 具之間隔有石墨紙，送入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中燒結(jié)，在真空度10Pa的真空、預(yù)壓力20MPa 的條件下、以150°C/min的升溫速率升溫至1800°C，保溫5min;第三步、將模具從放電等離子燒結(jié)設(shè)備中取出，自然降溫至室溫，退去模具，成品。本發(fā)明制備碳化硼陶瓷的方法實(shí)施例4，具體步驟同本發(fā)明實(shí)施例3，只是原料中硼碳摩 爾比為6.0。本發(fā)明制備碳化硼陶瓷的方法實(shí)施例5，具體步驟同本發(fā)明實(shí)施例3，只是原料中硼碳摩 爾比為10.0。本發(fā)明實(shí)施例3、 4、 5原料的XRD圖譜如圖1所示，所制備的碳化硼陶瓷的XRD圖譜如 圖2所示，燒結(jié)過(guò)程的收縮位移、溫度和電流的變化曲線如圖3所示，樣品的密度和致密度 如圖4所示，樣品的維氏硬度如表1所示，超聲波脈沖回波法測(cè)得的樣品的力學(xué)性能如表2 所示。表l:不同硼碳比的原料燒結(jié)得到的樣品的維氏硬度原料;棚碳摩爾比燒結(jié)溫度/'cHv/GPa4.0180048.856.0180066. 6110. 0180047. 26表2:超聲波脈沖回波法觀U得的樣品的力學(xué)性能溫度/'cd /mmM /nsK /nsp /gcm-3G/GPa 尺/GPa17003. 038580. 0920.0 2.10214. 291.5 108.20. 1718002. 535400. 0800. 0 2. 47264. 599. 2 264. 50. 33表2中rf為樣品的平均厚度，F(xiàn)、 M分別為橫波和縱波在樣品中傳播的時(shí)間，p為材料 密度，五為楊氏模量，G為剪切模量，《為體積彈性模量，v/為泊松比。本發(fā)明制備碳化硼陶瓷的方法實(shí)施例6，具體步驟包括第一步、稱(chēng)取純度為99.9%、平均粒度為lMffi的單質(zhì)硼粉和活性炭粉，上述原料中硼碳 摩爾比為6.0，在瑪瑙研缽里混合均勻；第二步、將第一步制備的粉料放入最高使用壓力為100MPa的高強(qiáng)石墨模具中，粉料與模 具之間隔有石墨紙，送入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中燒結(jié)，在真空度15Pa的真空、預(yù)壓力30MPa 的條件下、以200°C/min的升溫速率升溫至2000°C，保溫7min;第三步、將模具從放電等離子燒結(jié)設(shè)備中取出，自然降溫至室溫，退去模具，成品。本發(fā)明制備碳化硼陶瓷的方法實(shí)施例7，具體步驟包括第一步、稱(chēng)取純度為99.999%、平均粒度為100陶的單質(zhì)硼粉和石墨粉，上述原料中硼 碳摩爾比為22. 5，在瑪瑙研缽里混合均勻；第二步、將第一步制備的粉料放入最高使用壓力為100MPa的高強(qiáng)石墨模具中，粉料與模 具之間隔有石墨紙，送入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中燒結(jié)，在真空度100Pa的真空、預(yù)壓力100MPa 的條件下、以200°C/min的升溫速率升溫至2200°C，保溫30min;第三步、將模具從放電等離子燒結(jié)設(shè)備中取出，自然降溫至室溫，退去模具，成品。
權(quán)利要求
1、一種制備碳化硼陶瓷的方法，具體步驟包括第一步、稱(chēng)取硼粉和碳粉，硼、碳摩爾比為0.5-22.5，混合；第二步、將第一步制備的粉料放入模具中送入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中燒結(jié)，在真空條件下升溫至1300-2200℃；第三步、將模具從放電等離子燒結(jié)設(shè)備中取出，降溫至室溫，退去模具，成品。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第二步中使用的模具為石墨模具，粉料與模具之間隔有石墨紙。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述硼粉和碳粉的平均粒度均為O.OOl —100陶。
4、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于上述硼粉和碳粉的純度均為98 — 99.999%。
5、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于上述硼粉為單質(zhì)硼、硼酸、硼酐中的一種。
6、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于上述碳粉為石墨粉、炭黑、石油焦粉、活性炭粉中的一種。
7、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于第二步具體為將第一步制備的粉料放入模具中送入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中燒結(jié)，在真空條件下升溫至1300 — 2200。C;保持時(shí)間為O— 30分鐘。
8、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于第二步具體為將第一步制備的粉料放入模具中送入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中燒結(jié)，在真空度l一100Pa、預(yù)壓力0 — 100MPa條件下升溫至 1300 _ 2200 °C。
9、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于第二步中，放電等離子燒結(jié)設(shè)備的升溫速率 50—200。C/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備碳化硼陶瓷的方法，具體步驟包括第一步、稱(chēng)取硼粉和碳粉，硼、碳摩爾比為0.5-22.5，混合；第二步、將第一步制備的粉料放入模具中送入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中燒結(jié)，在真空條件下升溫至1300-2200℃；第三步、將模具從放電等離子燒結(jié)設(shè)備中取出，降溫至室溫，退去模具，成品。本發(fā)明方法，碳化硼的直接合成和致密化一次快速完成，粉末在真空條件下燒結(jié)，制備的碳化硼陶瓷的純度高，硼碳比多樣，硬度高。
文檔編號(hào)C04B35/563GK101269967SQ20081004769
公開(kāi)日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2008年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月13日
發(fā)明者張聯(lián)盟, 強(qiáng) 沈, 王傳彬, 嵩 章, 羅國(guó)強(qiáng), 剛 陳 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)