一種碳化硅／硼化鎢復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及陶瓷基復合材料領域，具體為一種碳化硅／硼化鎢復合材料及其制備方法。該復合材料由鎢二硼五增強相和碳化硅基體組成，鎢二硼五增強相均勻彌散地分布于碳化硅基體中。采用碳化鎢粉、碳化硼粉和硅粉，或者碳化鎢粉、碳化硼粉、硅粉和碳化硅粉、鎢二硼五粉之一種或兩種為原料，經(jīng)物理機械方法混合8～24小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10～20MPa；在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為1～20℃/分鐘，燒結溫度為1600～2000℃、燒結時間為0.5～3小時、燒結壓強為10～300MPa。采用本發(fā)明方法能夠實現(xiàn)原位合成制備碳化硅／硼化鎢復合材料，其最佳性能為：硬度30GPa，抗彎強度達到900MPa，斷裂韌性為6.1MPa·m1/2，電導率為6×105Ω-1m-1。
【專利說明】一種碳化硅/硼化鎢復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及陶瓷基復合材料領域，具體為一種碳化硅/硼化鎢復合材料及其制備方法，通過原位合成板條狀鎢二硼五(W2B5)增強碳化硅(SiC)基復合材料。
【背景技術】
[0002]碳化硅(SiC)是一種較早為人們所研究并獲得廣泛應用的難熔非氧化物陶瓷。SiC具有極好的高溫強度、優(yōu)良的耐熱、耐磨性，化學穩(wěn)定性及半導體特性，因而在原子能、燃汽輪機、航天航空、機械、化工和電子技術等許多領域都有廣泛的應用前景。然而，純SiC極難致密，文獻 I:JS Nadeau, Am.Ceram.Soc.Bull.52，70(1973)，報道了純 SiC 粉末的熱壓需在2500°C、50MPa的高溫高壓下才能獲得接近理論密度的燒結體。如此高的燒結溫度極大地提高了碳化硅的生產(chǎn)成本，限制了其應用，通常需要添加燒結助劑來實現(xiàn)材料致密化。碳化硅的硬度極高，且導電性不佳，很難加工成型，因此加工成本極高，這也限制了其應用。
[0003]鎢二硼五(硼化鎢W2B5)是W-B體系內非常重要的一種中間相，其具有高的熔點(2365°C)，高的硬度(27GPa)，高的電導率(3.(^ΧΚ^Ω—ν1)。然而，由于單相W2B5的合成非常困難，對其性能的報道還是非常少見的。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種力學性能好、制備工藝條件容易控制、操作簡單、成本低的碳化硅/硼化鎢復合材料及其制備方法，解決單相碳化硅難致密、難以加工成型、導電性不佳，以及單相硼化鎢的合成困難，導致碳化硅和硼化鎢的優(yōu)越性無法得到充分發(fā)揮等問題。
`[0005]本發(fā)明的技術方案是:
[0006]一種碳化硅/硼化鎢復合材料，該復合材料由鎢二硼五增強相和碳化硅基體組成，鎢二硼五增強相均勻彌散地分布于碳化硅基體中，其中碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為(10 ~20): (2 ~8)。
[0007]所述的碳化硅與鎢二硼五的優(yōu)選摩爾比為13:4。
[0008]所述的碳化娃基體的晶粒尺寸0.5~2微米,鶴二砸五的形貌為板條狀晶粒，其長徑比為3~14，且晶粒之間形成互鎖結構。
[0009]所述的碳化硅/硼化鎢復合材料的制備方法，根據(jù)所要獲得的碳化硅與鎢二硼五摩爾比，采用碳化鎢WC粉、碳化硼B(yǎng)4C粉和硅Si粉，或者碳化鎢WC粉、碳化硼B(yǎng)4C粉、硅Si粉和碳化硅SiC粉、鎢二硼五W2B5粉之一種或兩種為原料，其中WC =B4C =Si的摩爾比為8:5:13 ;原料粉經(jīng)物理機械方法混合8~24小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10~20MPa，時間5~20分鐘；在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為I~20°C /分鐘，燒結溫度為1600~2000°C、燒結時間為0.5~3小時、燒結壓強為10~300MPao
[0010]所述的碳化硅/硼化鎢復合材料的制備方法，當碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為13:4時，采用碳化鎢WC粉、碳化硼B(yǎng)4C粉和硅Si粉為原料，其中WC =B4C =Si的摩爾比為8:5:13 ;原料粉經(jīng)物理機械方法混合8~24小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10~20MPa，時間5~20分鐘；在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為I~20°C /分鐘，燒結溫度為1600~2000°C、燒結時間為0.5~3小時、燒結壓強為10~300MPa。
[0011]所述的原料粉原位熱壓發(fā)生的化學反應為:
[0012]8WC + 5B4C + 13Si — 13SiC + 4W2B5。
[0013]所述的碳化鎢粉粒度范圍為0.5~10微米，碳化硼粉的粒度范圍為I~10微米；硅粉粒度范圍為200~400目。
[0014]所述的燒結方式為熱壓或熱等靜壓燒結。
[0015]所述的惰性氣體為氬氣或氦氣。
[0016]所述的物理機械方法混合為在聚氨酯球磨罐中干混或在酒精介質中球磨。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0018]1、本發(fā)明碳化硅/硼化鎢復合材料具有高硬度、高強度和高韌性等特點，同時復合材料具有良好的導電性，可以采用線切割的方式進行加工，降低了加工成本。該復合材料不僅可以作為原子能、燃汽輪機、航天航空、化工和機械刀具等備選結構材料，也可以考慮作為一種導電陶瓷使用。
[0019]2、本發(fā)明原位制備方法工藝簡單、成本低。
[0020]3、本發(fā)明采用碳化鎢粉、碳化硼粉和硅粉，或者碳化鎢粉、碳化硼粉、硅粉和碳化硅SiC粉、鎢二硼五W2B5粉之一種或兩種為原料，原位制備由均勻分布的碳化硅和鎢二硼五兩相組成的復合材料，可通過額外添加碳化硅或鎢二硼五作為原料，從而拓展得到其它組分配比的復合材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021 ] 圖1.SiC-W2B5復合材料的X射線衍射譜。
[0022]圖2.SiC-W2B5復合材料的背散射電子照片。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明碳化硅/硼化鎢復合材料包含鎢二硼五增強相和碳化硅基體，其中碳化硅的晶粒尺寸在2微米以下，板條狀鎢二硼五增強相均勻彌散地分布于碳化硅基體中，其長徑比約為3~14，且晶粒之間形成互鎖結構。碳化硅/硼化鎢復合材料中，碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為(10~20): (2~8)，該材料密度為6.5~7.5g.cm_3。
[0024]該碳化硅/硼化鎢復合材料的制備方法，根據(jù)所要獲得的碳化硅與鎢二硼五摩爾t匕，采用碳化鎢WC粉、碳化硼B(yǎng)4C粉和硅Si粉，或者碳化鎢WC粉、碳化硼B(yǎng)4C粉、硅Si粉和碳化硅SiC粉、鎢二硼五W2B5粉之一種或兩種為原料，其中WC =B4C =Si的摩爾比為8:5:13 ；原料粉經(jīng)物理機械方法混合8~24小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10~20MPa，時間5~20分鐘；在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為I~20°C /分鐘，燒結溫度為1600~2000°C、燒結時間為0.5~3小時、燒結壓強為10~300MPa。原料粉原位熱壓發(fā)生的化學反應為:[0025]8WC + 5B4C + 13Si — 13SiC + 4W2B5。
[0026]其中，碳化鎢粉粒度范圍為0.5~10微米，碳化硼粉的粒度范圍為I~10微米，硅粉粒度范圍為200~400目，碳化硅SiC粉的粒度范圍為I~10微米，鎢二硼五W2B5粉的粒度范圍為I~10微米。燒結方式為熱壓燒結或熱等靜壓燒結。惰性氣體為氬氣或氦氣。物理機械方法混合為在聚氨酯球磨罐中干混或在酒精介質中球磨。優(yōu)選的，升溫速率為5~20°C /分鐘，燒結溫度為1800~2000°C，燒結時間為0.5~I小時，燒結壓強為10~40MPa。
[0027]本發(fā)明中，所獲得碳化硅/硼化鎢復合材料的性能范圍如下:
[0028]硬度為15~30GPa,彎曲強度為500~900MPa,斷裂韌性為5.0~6.1MPa.m1/2，電導率為I X IO5~6 X IO5 Ω ?。
[0029]本發(fā)明中，所獲得碳化硅/硼化鎢復合材料的最佳性能如下:
[0030]硬度為30GPa，抗彎強度達到900MPa，斷裂韌性為6.1MPa.m1/2，電導率為6 X IO5Q-1IrT1tj
[0031 ] 下面通過附圖和實施例進一步詳述本發(fā)明。
[0032]實施例1
[0033]將粒度為0.5微米的碳化鎢粉35.5克、0.5微米的碳化硼粉6.2克和粒度為200目的硅粉8.3克在聚氨酯球磨罐中球磨24小時，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為20MPa ;然后，進行熱等靜壓，升溫速率為20°C /分鐘，加熱到1600°C保溫3小時，同時壓強逐漸加到300MPa。整個燒結過程都是在氬氣保護下進行。將獲得的反應產(chǎn)物進行XRD分析，可以發(fā)現(xiàn)制備的復合材料僅由SiC和W2B5兩相組成，復合材料中碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為13:4，其中碳化硅的晶粒尺寸為I微米。在制備的復合材料中板條狀的W2B5晶粒較為均勻的彌散分布在SiC基體中，同時W2B5晶粒之間相互貫通形成互鎖結構。本實施例中，該材料密度為6.5g.cm—3。力學性能測試表明:得到的復合材料的硬度為19GPa，彎曲強度為596MPa，斷裂韌性為5.2MPa.m1/2，電導率為I X IO5 Ω ?。
[0034]實施例2
[0035]將粒度為2微米的碳化鎢粉35.5克、5微米的碳化硼粉6.2克和粒度為300目的硅粉8.3克在聚氨酯球磨罐中球磨24小時，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為20MPa ;然后，放入熱壓爐內熱壓燒結，升溫速率為10°C /分鐘，加熱到1900°C保溫I小時，同時壓強逐漸加到40MPa。整個燒結過程都是在氬氣(或氦氣)保護下進行。將獲得的反應產(chǎn)物進行XRD分析(見圖1)，可以發(fā)現(xiàn)制備的復合材料僅由SiC和W2B5兩相組成。復合材料中碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為13:4，其中碳化硅的晶粒尺寸為2微米。在制備的復合材料中板條狀的W2B5晶粒(白色)較為均勻的彌散分布在SiC基體(灰色)中，同時W2B5晶粒之間相互貫通形成互鎖結構(見圖2)。本實施例中，該材料密度為7.3g*cm_3。力學性能測試表明:得到的復合材料的硬度為30GPa，彎曲強度為900MPa，斷裂韌性為6.1MPa.m1/2，電導率為 6 X IO5Q-1IrT1tj
[0036]實施例3
[0037]將粒度為10微米的碳化鎢粉35.5克、10微米的碳化硼粉6.2克和粒度為400目的硅粉8.3克在 聚氨酯球磨罐中球磨24小時，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為20MPa ;然后，放入熱壓爐內熱壓燒結，升溫速率為5°C /分鐘，加熱到2000°C保溫30分鐘，同時壓強逐漸加到lOMPa。整個燒結過程都是在氬氣(或氦氣)保護下進行。將獲得的反應產(chǎn)物進行XRD分析，可以發(fā)現(xiàn)制備的復合材料僅由SiC和W2B5兩相組成。復合材料中碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為13:4，其中碳化硅的晶粒尺寸為0.5微米。在制備的復合材料中板條狀的W2B5晶粒較為均勻的彌散分布在SiC基體中，同時W2B5晶粒之間相互貫通形成互鎖結構。本實施例中，該材料密度為6.9g*cm_3。力學性能測試表明:硬度為21GPa，彎曲強度為720MPa，斷裂韌性為5.8MPa.m1/2，電導率為3 X IO5 Ω、-1。
[0038]實施例4 [0039]將粒度為I微米的碳化鎢粉35.5克、I微米的碳化硼粉6.2克、粒度為200目的硅粉8.3克和粒度為I微米的碳化硅粉4.5克在聚氨酯球磨罐中球磨8小時，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為12MPa ;然后，進行熱等靜壓，升溫速率為8°C /分鐘，加熱到1700°C保溫2小時，同時壓強逐漸加到200MPa。整個燒結過程都是在氬氣保護下進行。將獲得的反應產(chǎn)物進行XRD分析，可以發(fā)現(xiàn)制備的復合材料僅由SiC和W2B5兩相組成，復合材料中碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為18:4，其中碳化硅的晶粒尺寸為0.8微米。在制備的復合材料中板條狀的W2B5晶粒較為均勻的彌散分布在SiC基體中，同時W2B5晶粒之間相互貫通形成互鎖結構。本實施例中，該材料密度為7.0g μML3。力學性能測試表明:得到的復合材料的硬度為28GPa，彎曲強度為765MPa，斷裂韌性為5.5MPa *m1/2,電導率為I X IO5 Ω-V1。
[0040]實施例5
[0041]將粒度為8微米的碳化鎢粉35.5克、8微米的碳化硼粉6.2克、粒度為300目的硅粉8.3克和粒度為8微米的鎢二硼五粉38.2克在聚氨酯球磨罐中球磨16小時，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為15MPa ;然后，放入熱壓爐內熱壓燒結，升溫速率為15°C /分鐘，加熱到1800°C保溫1.5小時，同時壓強逐漸加到lOOMPa。整個燒結過程都是在氦氣保護下進行。將獲得的反應產(chǎn)物進行XRD分析，可以發(fā)現(xiàn)制備的復合材料僅由SiC和W2B5兩相組成。復合材料中碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為13:8，其中碳化硅的晶粒尺寸為1.5微米。在制備的復合材料中板條狀的W2B5晶粒較為均勻的彌散分布在SiC基體中，同時W2B5晶粒之間相互貫通形成互鎖結構。本實施例中，該材料密度為7.2g*cm_3。力學性能測試表明:硬度為25GPa，彎曲強度為837MPa，斷裂韌性為6.0MPa *m1/2,電導率為6 X IO5 Ω、—1。
[0042]實施例結果表明，本發(fā)明利用原位熱壓反應的方法合成了兩者的復合材料，充分發(fā)揮了碳化硅和硼化鎢兩者的優(yōu)勢，制備出了綜合性能較為優(yōu)異的碳化硅/硼化鎢復合材料。
【權利要求】
1.一種碳化硅/硼化鎢復合材料，其特征在于:該復合材料由鎢二硼五增強相和碳化硅基體組成，鎢二硼五增強相均勻彌散地分布于碳化硅基體中，其中碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為(10~20): (2~8)。
2.按照權利要求1所述的碳化硅/硼化鎢復合材料，其特征在于:優(yōu)選的，碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為13:4。
3.按照權利要求1所述的碳化硅/硼化鎢復合材料，其特征在于:碳化硅基體的晶粒尺寸0.5~2微米，鎢二硼五的形貌為板條狀晶粒，其長徑比為3~14，且晶粒之間形成互鎖結構。
4.一種權利要求1所述的碳化硅/硼化鎢復合材料的制備方法，其特征在于:根據(jù)所要獲得的碳化硅與鎢二硼五摩爾比，采用碳化鎢WC粉、碳化硼B(yǎng)4C粉和硅Si粉，或者碳化鎢WC粉、碳化硼B(yǎng)4C粉、硅Si粉和碳化硅SiC粉、鎢二硼五W2B5粉之一種或兩種為原料，其中WC =B4C =Si的摩爾比為8:5:13 ;原料粉經(jīng)物理機械方法混合8~24小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10~20MPa，時間5~20分鐘；在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為I~20°C /分鐘，燒結溫度為1600~2000°C、燒結時間為0.5~3小時、燒結壓強為10~300MPa。
5.一種權利要求2所述的碳化硅/硼化鎢復合材料的制備方法，其特征在于:當碳化硅與鎢二硼五的摩爾比為13:4時，采用碳化鎢WC粉、碳化硼B(yǎng)4C粉和硅Si粉為原料，其中WC =B4C =Si的摩爾比為8:5:13 ;原料粉經(jīng)物理機械方法混合8~24小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10~20MPa，時間5~20分鐘；在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為I~20°C /分鐘，燒結溫度為1600~2000°C、燒結時間為0.5~3小時、燒結壓強為10~300MPa。
6.按照權利要求4`或5所述的碳化硅/硼化鎢復合材料的制備方法，其特征在于，原料粉原位熱壓發(fā)生的化學反應為:
8WC + 5B4C + 13Si — 13SiC + 4W2B5。
7.按照權利要求4或5所述的碳化硅/硼化鎢復合材料的制備方法，其特征在于，碳化鎢粉粒度范圍為0.5~10微米，碳化硼粉的粒度范圍為I~10微米；硅粉粒度范圍為200 ~400 目。
8.按照權利要求4或5所述的碳化硅/硼化鎢復合材料的制備方法，其特征在于，燒結方式為熱壓或熱等靜壓燒結。
9.按照權利要求4或5所述的碳化硅/硼化鎢復合材料的制備方法，其特征在于，惰性氣體為氬氣或氦氣。
10.按照權利要求4或5所述的碳化硅/硼化鎢復合材料的制備方法，其特征在于，物理機械方法混合為在聚氨酯球磨罐中干混或在酒精介質中球磨。
【文檔編號】C04B35/622GK103771859SQ201410075532
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年3月3日 優(yōu)先權日:2014年3月3日
【發(fā)明者】陳繼新, 趙國瑞, 孫連東, 苗磊, 李美栓, 周延春 申請人:中國科學院金屬研究所