高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超高溫陶瓷材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種B4C-HfB2:元共晶自生復(fù)合陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]HfB2屬于過渡金屬硼化物，作為超高溫陶瓷材料，其具有高熔點(3250°C)、高硬度、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能好、相對好的高溫抗氧化性能和抗沖擊性能等特點，這些優(yōu)異性能使其可用作高溫結(jié)構(gòu)材料，如:高溫電極、爐膛元件、火箭發(fā)動機以及超音速飛行器的熱防護系統(tǒng)等。但是，單一的硼化鉿材料很難燒結(jié)致密，且自身強度和韌性相對不高，限制其在苛刻環(huán)境下的應(yīng)用。
[0003]目前，為改善這一現(xiàn)狀，可通過傳統(tǒng)的固相燒結(jié)方法，B4C作為一種燒結(jié)助劑，以提高其致密度，Harlan J.Brown-Shaklee等報道由于B4C可以與過渡金屬氧化物在高溫下反應(yīng)生成金屬硼化物，降低其顆粒表面氧化物雜質(zhì)，使得硼化鉿材料的致密度得以提高，并研宄了 B/C原子比對熱壓燒結(jié)HfB2-BxC陶瓷致密度和熱性能的影響。
[0004]另外，F(xiàn)rederic Monteverde等認為B4C除了起到燒結(jié)助劑的作用外，還可以抑制硼化鉿晶粒的生長，獲得較細的晶粒組織。
[0005]但是，采用傳統(tǒng)的固相燒結(jié)方法，所需的燒結(jié)溫度較高，制備周期較長。更為重要的是，通過電弧熔煉法制備出的B4C-HfB2共晶陶瓷，與傳統(tǒng)方法相比，相與相之間的連接界面是熔體自生復(fù)合而成，相界面配合性好、非常干凈，且結(jié)合強度高，共晶組織細小，并呈現(xiàn)相互交錯的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得B4C-HfB2*晶陶瓷獲得更為優(yōu)異的高溫性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有的碳化硼和硼化鉿復(fù)合陶瓷材料及其傳統(tǒng)固相燒結(jié)方法的不足與缺陷，提供一種制備方法簡單，制備周期短，且可有效提高其致密度的方法，使制備出的84(>!^82高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的性能接近或超過傳統(tǒng)方法所生產(chǎn)的制品。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明提供的84(>!^82高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法，具體是:將碳化硼粉末和硼化鉿粉末按摩爾含量分別為50% -90%和10% -50%配料，該配料經(jīng)球磨混合均勻后在室溫下冷等靜壓成片狀，再通過電弧熔煉爐放電使試樣在氬氣的環(huán)境下快速熔融，然后隨著電弧熔煉爐中銅板迅速冷卻獲得B4C-HfB2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷。
[0009]所述碳化硼粉末的純度為98%，粒徑為1-10 μ m?
[0010]所述硼化鉿粉末的純度為99%。
[0011]所述球磨混料工藝，采用的是聚乙烯的球磨罐、氧化鋯球，球磨lh。
[0012]所述片狀為在室溫下冷等靜壓成直徑為10_，高為5_的圓柱形。
[0013]所述電弧熔煉爐中氬氣壓力控制在60kPa，快速熔融時的輸出功率為20% -40%,電流為120-250A。
[0014]所述冷卻過程是在電弧熔煉爐中銅板上進行，迅速冷卻時的水壓為0.06-0.07MPa。
[0015]本發(fā)明提供的上述方法制備的84(>!^2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷，其在制作超高溫陶瓷用品中的應(yīng)用。
[0016]本發(fā)明與傳統(tǒng)的固相燒結(jié)方法相比，具有以下的主要優(yōu)點:
[0017]1.制備方法簡單，所需的制備周期較短。
[0018]2.所制備出B4C-HfB2共晶復(fù)合陶瓷相與相之間的連接界面是熔體自生復(fù)合而成，相界面配合性好，相界面非常干凈，且結(jié)合強度高。
[0019]3.所制備出B4C-HfB2共晶復(fù)合陶瓷共晶組織細小，且呈現(xiàn)相互交錯的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)均勻。
[0020]4.所制備出B4C-HfB2*晶復(fù)合陶瓷致密度高，具有更為優(yōu)異的機械性能和熱穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明B4C粉末與HfB^v末經(jīng)球磨機混合均勻后的粉體在室溫下冷等靜壓成片狀，而后在電弧熔煉爐中快速熔融、冷卻制得的試樣的XRD圖譜。
[0022]圖2是本發(fā)明B4C粉末與50 (moI % ) HfB2粉末經(jīng)球磨機混合均勻后的粉體在室溫下冷等靜壓成片狀，而后在電弧熔煉爐中快速熔融、冷卻制得的試樣的BSE圖譜。
[0023]圖3是本發(fā)明B4C粉末與35 (moI % ) HfB2粉末經(jīng)球磨機混合均勻后的粉體在室溫下冷等靜壓成片狀，而后在電弧熔煉爐中快速熔融、冷卻制得的試樣的BSE圖譜。
[0024]圖4是本發(fā)明B4C粉末與22 (moI % ) HfB2粉末經(jīng)球磨機混合均勻后的粉體在室溫下冷等靜壓成片狀，而后在電弧熔煉爐中快速熔融、冷卻制得的試樣的BSE圖譜。
[0025]圖5是本發(fā)明B4C粉末與10 (moI % ) HfB2粉末經(jīng)球磨機混合均勻后的粉體在室溫下冷等靜壓成片狀，而后在電弧熔煉爐中快速熔融、冷卻制得的試樣的BSE圖譜。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合具體的實施案例及附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不限定本發(fā)明。
[0027]實施例1
[0028]本實施案例是一種84(>!^82高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法。
[0029]該方法是:采用市售的高純度B4C和HfB2粉末，按摩爾配比，其中B4C粉末的摩爾含量為50 %，HfB2的摩爾含量為50 %，采用聚乙烯的球磨罐，氧化鋯球在高能球磨機上以300轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速球磨Ih得到所需的粉體，然后將球磨混合均勻后的粉體在室溫下冷等靜壓成直徑為10mm，高大約為5mm的片狀，放入電弧熔煉爐中，在60kPa的氬氣環(huán)境下，通過電弧放電，使試樣快速熔融，輸出功率為20-40%，電流為120-250A，后隨著電弧熔煉爐中銅板迅速冷卻至室溫，水壓為0.06-0.07MPa。
[0030]經(jīng)檢測，參見圖1和圖2，該B4C-HfB2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的XRD圖顯示只有B4C和HfBd^衍射峰，并無其他物質(zhì)生成。而背散射圖也表明只有兩相，即黑相為B4C,白相為HfB2，除了可以觀察到分布較均勻的二元共晶組織外，還有大量長棒狀HfB2的相結(jié)構(gòu)。
[0031]實施例2
[0032]本實施案例是一種84(>!^82高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法。
[0033]該方法是:采用市售的高純度B4C和HfB2粉末，按摩爾配比，其中B4C粉末的摩爾含量為65 %，HfB2的摩爾含量為35 %，采用聚乙烯的球磨罐，氧化鋯球在高能球磨機上以300轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速球磨Ih得到所需的粉體，然后將球磨混合均勻后的粉體在室溫下冷等靜壓成直徑為10mm，高大約為5mm的片狀，放入電弧熔煉爐中，在60kPa的氬氣環(huán)境下，通過電弧放電，使試樣快速熔融，輸出功率為20-40%，電流為120-250A，后隨著電弧熔煉爐中銅板迅速冷卻至室溫，水壓為0.06-0.07MPa。
[0034]經(jīng)檢測，參見圖1和圖3，該B4C-HfB2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的XRD圖顯示只有B4C和HfBd^衍射峰，并無其他物質(zhì)生成。而背散射圖也表明只有兩相，即黑相為B4C,白相為HfB2，除了可以觀察到分布較均勻的二元共晶組織外，還有少量長棒狀HfB2的相結(jié)構(gòu)。
[0035]實施例3
[0036]本實施例是一種84(>!^82高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法。
[0037]該方法是:采用市售的高純度B4C和HfB2粉末，按摩爾配比，其中B4C粉末的摩爾含量為78 %，HfB2的摩爾含量為22 %，采用聚乙烯的球磨罐，氧化鋯球在高能球磨機上以300轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速球磨Ih得到所需的粉體，然后將球磨混合均勻后的粉體在室溫下冷等靜壓成直徑為10mm，高大約為5mm的片狀，放入電弧熔煉爐中，在60kPa的氬氣環(huán)境下，通過電弧放電，使試樣快速熔融，輸出功率為20-40%，電流為120-250A，后隨著電弧熔煉爐中銅板迅速冷卻至室溫，水壓為0.06-0.07MPa。
[0038]經(jīng)檢測，參見圖1和圖4，該B4C-HfB^溫共晶自生復(fù)合陶瓷的XRD圖顯示只有B 4C和HfBd^衍射峰，并無其他物質(zhì)生成。而背散射圖也表明只有兩相，即黑相為B4C,白相為HfB2,且可以觀察到分布較均勻的二元共晶結(jié)構(gòu)。
[0039]實施例4
[0040]本實施案例是一種84(>!^82高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法。
[0041]該方法是:采用市售的高純度B4C和HfB2粉末，按摩爾配比，其中B4C粉末的摩爾含量為90%，HfB2的摩爾含量為10%，采用聚乙烯的球磨罐，氧化鋯球在高能球磨機上以300轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速球磨Ih得到所需的粉體，然后將球磨混合均勻后的粉體在室溫下冷等靜壓成直徑為10mm，高大約為5mm的片狀，放入電弧熔煉爐中，在60kPa的氬氣環(huán)境下，通過電弧放電，使試樣快速熔融，輸出功率為20-40%，電流為120-250A，后隨著電弧熔煉爐中銅板迅速冷卻至室溫，水壓為0.06-0.07MPa。
[0042]經(jīng)檢測，參見圖1和圖5，該B4C-HfB2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的XRD圖顯示只有B4C和HfBd^衍射峰，并無其他物質(zhì)生成。而背散射圖也表明只有兩相，即黑相為B4C,白相為HfB2，除了可以觀察到分布較均勻的二元共晶組織外，還有大量B4C的相結(jié)構(gòu)。
[0043]上述實施例中提及的高能球磨機可以采用Retsch PMlOOo
【主權(quán)項】
1.一種B 4(>!1迅2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征是將碳化硼粉末和硼化鉿粉末按摩爾含量分別為50% -90%和10% -50%配料，該配料經(jīng)球磨混合均勻后在室溫下冷等靜壓成片狀，再通過電弧熔煉爐放電使試樣在氬氣的環(huán)境下快速熔融，然后隨著電弧熔煉爐中銅板迅速冷卻獲得B4C-HfB2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-HfB2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于所述碳化硼粉末的純度為98%，粒徑為1-10 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-HfB2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于所述硼化鉿粉末的純度為99%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-HfB2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于所述球磨混料工藝，采用的是聚乙烯的球磨罐、氧化鋯球，球磨lh。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-HfB2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于所述片狀為在室溫下冷等靜壓成直徑為10_，高為5_的圓柱形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4(>!1迅2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于電弧熔煉爐中氬氣壓力控制在60kPa，快速熔融時的輸出功率為20% -40%，電流為120-250A。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的B4C-HfB2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法，其特征在于所述冷卻過程是在電弧熔煉爐中銅板上進行，迅速冷卻時的水壓為0.06-0.07MPa。
8.權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述方法制備的B4C-HfB2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷，其在制作超高溫陶瓷用品中的應(yīng)用。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種B4C-HfB2高溫共晶自生復(fù)合陶瓷的制備方法。該復(fù)合陶瓷通過改變碳化硼與硼化鉿二者之間的比例，制得均勻分布的共晶結(jié)構(gòu)，其中硼化鉿的摩爾含量為10％-50％。其具體制備方法為將碳化硼粉末和硼化鉿粉末混合均勻，然后將混合后的粉體在室溫下冷等靜壓成直徑為10mm的片狀，通過電弧熔煉法，制備出B4C-HfB2共晶復(fù)合材料。本發(fā)明與傳統(tǒng)的固相燒結(jié)方法相比，制備方法簡單，制備周期較短，且制備出的B4C-HfB2復(fù)合陶瓷材料致密度高，具有更優(yōu)異的高溫性能。另外，該材料兼具HfB2和B4C的性能優(yōu)點，可用作超高溫陶瓷材料。
【IPC分類】C04B35-58, C04B35-64, C04B35-563
【公開號】CN104529456
【申請?zhí)枴緾N201410724820
【發(fā)明人】涂溶, 李念, 李其仲, 章嵩, 張聯(lián)盟
【申請人】武漢理工大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月3日