【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及超硬材料制備領(lǐng)域，具體而言，涉及一種高韌性立方氮化硼復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、隨著現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展，超硬材料在工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，尤其是在加工硬質(zhì)材料時(shí)，表現(xiàn)出無(wú)可比擬的優(yōu)越性。超硬材料主要包括金剛石和立方氮化硼(cbn)。金剛石雖然擁有最高的硬度，但在高溫條件下易發(fā)生碳化反應(yīng)，特別是在加工含鐵元素的材料時(shí)，其強(qiáng)度迅速下降，極大限制了金剛石的應(yīng)用范圍。相比之下，立方氮化硼因其硬度僅次于金剛石，且具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、寬帶隙、高導(dǎo)熱性以及對(duì)鐵族金屬和其合金的化學(xué)惰性，已成為汽車(chē)、航空航天、機(jī)械電子和微電子等行業(yè)的理想加工材料之一。因此，立方氮化硼被認(rèn)為是替代金剛石的潛在候選材料。
2、然而，盡管立方氮化硼具備極高的硬度，其固有的脆性使得其在高沖擊環(huán)境中的使用壽命受到限制，嚴(yán)重影響其切割效率和整體使用壽命。為了改善這一問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了多種增韌方案。然而，硬度和韌性常常是相互對(duì)立的，硬度的增加通常伴隨韌性的降低，如何在保證高硬度的同時(shí)提升材料的韌性，仍是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
3、目前，常見(jiàn)的增韌技術(shù)包括在聚晶立方氮化硼材料中引入金屬粘結(jié)劑(如ni、co、al等)，通過(guò)高溫高壓燒結(jié)的方法提升韌性。這類(lèi)方法雖然能在一定程度上增強(qiáng)韌性，但往往導(dǎo)致硬度下降，且常用的金屬粘結(jié)劑在高溫下強(qiáng)度不足，無(wú)法應(yīng)對(duì)苛刻的工業(yè)環(huán)境。為此，部分研究者嘗試使用非金屬增韌材料，如氮化鈦、氮化鋁和二氧化鋯等來(lái)提升韌性，雖然取得了一定的效果，但所需的高燒結(jié)溫度和設(shè)備要求極大增加了成本和工藝復(fù)雜性。p>
4、此外，采用硬質(zhì)陶瓷如金剛石代替金屬粘結(jié)劑可以進(jìn)一步提高硬度，但其韌性提升效果仍不理想。近年來(lái)，納米及亞微米尺寸的聚晶立方氮化硼為增韌提供了新方向，然而其超高的合成條件和小尺寸樣品限制了其實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用。
5、在此背景下，氮化硅(si3n4)因其兼具高硬度和良好韌性，成為了一種有前景的粘結(jié)劑材料。氮化硅的獨(dú)特特性在于其在受力作用下可發(fā)生α相向β相的相變，消耗多余的斷裂能量，從而提升斷裂韌性。例如，陳克新等人通過(guò)精確控制燒結(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了α-si3n4向β-si3n4的轉(zhuǎn)化，制備出具有不同比例α/β相界面的雙相陶瓷材料，極大提高了材料的韌性。
6、因此，利用氮化硅作為粘結(jié)劑，通過(guò)其相變來(lái)消耗立方氮化硼的斷裂能量，有望在保持立方氮化硼高硬度的同時(shí)，大幅提升材料的韌性。通過(guò)調(diào)控氮化硅的比例及其相變條件，進(jìn)一步優(yōu)化材料的綜合性能，為立方氮化硼的工業(yè)化生產(chǎn)提供了重要的技術(shù)路徑；為了在保持立方氮化硼硬度的前提下提高韌性，設(shè)計(jì)一種新的粘結(jié)劑和制備工藝對(duì)推動(dòng)立方氮化硼的工業(yè)化生產(chǎn)、提高該類(lèi)材料性能、推廣其應(yīng)用意義重大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)制備方法制備的氮化硼復(fù)合材料因脆性導(dǎo)致的使用壽命短、抗沖擊性能差的問(wèn)題，提供一種通過(guò)氮化硅粘結(jié)劑晶體結(jié)構(gòu)相變提升立方氮化硼韌性的方法。
2、本專(zhuān)利技術(shù)提供了一種高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
3、s1：以立方氮化硼粉末為原料，并預(yù)處理所述原料后，與氮化硅粉末混合，所述氮化硅粉末與立方氮化硼粉末的摩爾比為1-10％；
4、s2：將所述步驟s1混合后的原料裝入國(guó)產(chǎn)六面頂壓機(jī)合成腔體中，進(jìn)行高溫高壓合成處理，之后保溫、保壓處理；所述高溫高壓合成處理的條件為：合成壓力5gpa、合成溫度1000-1800℃；
5、s3：將所述步驟s2保溫后的產(chǎn)品冷卻卸壓后，得到立方氮化硼與氮化硅復(fù)合材料。
6、本申請(qǐng)一種高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：本專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)將現(xiàn)有技術(shù)中的傳統(tǒng)金屬粘結(jié)劑(如ni、co等)改為氮化硅粘結(jié)劑,相比于金屬粘結(jié)劑，氮化硅通過(guò)其獨(dú)特的α相與β相晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，在材料受到應(yīng)力時(shí)消耗能量，增強(qiáng)了材料的斷裂韌性,通過(guò)氮化硅的晶體相變?cè)诓牧系奈⒂^結(jié)構(gòu)中吸收沖擊力，從而提高了材料的抗沖擊性能；而氮化硅的引入不僅不會(huì)顯著降低立方氮化硼的硬度，反而通過(guò)其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)相變機(jī)制，有效提升了材料的韌性，這一改進(jìn)確保了在高沖擊負(fù)載下，材料不會(huì)像傳統(tǒng)立方氮化硼一樣容易發(fā)生脆裂，顯著提高了其使用壽命和加工性能，因此材料在保持超高硬度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的斷裂韌性；且上述制備方法中，氮化硅的含量、合成壓力、溫度及保溫保壓時(shí)間這幾個(gè)參數(shù)是緊密關(guān)聯(lián)在一起的，彼此之間存在協(xié)同的效應(yīng)，通過(guò)控制氮化硅的含量(1-10％)、合成溫度(1000-1800℃)、合成壓力(5gpa)，以及保溫時(shí)間和保壓時(shí)間的精準(zhǔn)設(shè)定，確保了復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生理想的相變，從而獲得了最終高硬度和高韌性的完美結(jié)合。
7、傳統(tǒng)立方氮化硼材料在高硬度和高韌性之間存在矛盾，本專(zhuān)利技術(shù)中的高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法通過(guò)采用氮化硅作為粘結(jié)劑，利用氮化硅的α相和β相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變機(jī)制，在不降低立方氮化硼硬度的前提下，成功地增加了其韌性，顯著提升了復(fù)合材料的整體性能。這一改進(jìn)不僅克服了傳統(tǒng)技術(shù)中由于金屬粘結(jié)劑導(dǎo)致的高溫下材料性能下降的問(wèn)題，還大幅延長(zhǎng)了材料的使用壽命，特別是在工業(yè)精細(xì)切削精加工中的應(yīng)用；通過(guò)對(duì)材料的配比、合成條件及晶體結(jié)構(gòu)相變過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功解決了
技術(shù)介紹
中的“材料高硬度與高韌性難以兼顧”的技術(shù)難題，顯著提升了立方氮化硼材料的斷裂韌性和使用壽命。這一技術(shù)的核心創(chuàng)新點(diǎn)在于粘結(jié)劑氮化硅的引入及其相變過(guò)程的控制，突破了現(xiàn)有超硬材料在高硬度和高韌性之間的限制，推動(dòng)了材料在工業(yè)應(yīng)用中的廣泛推廣。
8、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s1中，所述立方氮化硼粉末的粒徑為450-550nm。
9、與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用上述技術(shù)方案能夠通過(guò)控制立方氮化硼粉末的粒徑在500nm這一納米級(jí)別，顯著提升復(fù)合材料的力學(xué)性能，較小粒徑的立方氮化硼粉末能夠提供更高的比表面積和更均勻的分布，從而在材料內(nèi)部形成更加緊密的結(jié)合結(jié)構(gòu)，減少微觀缺陷的產(chǎn)生；與較大粒徑的材料相比，納米級(jí)粉末更能在高溫高壓合成條件下與氮化硅充分反應(yīng)，確保復(fù)合材料中的晶體結(jié)構(gòu)相變更加完整，尤其是α-si3n4向β-si3n4的轉(zhuǎn)變更加充分，從而增強(qiáng)了材料的斷裂韌性，通過(guò)對(duì)立方氮化硼粒徑的精確控制，確保了材料在合成過(guò)程中具有更高的反應(yīng)活性和更均勻的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到韌性和硬度的優(yōu)化平衡，提升了材料的綜合性能。
10、在一種可能的實(shí)施方式中，所述步驟s1中，所述預(yù)處理的方式為：在原料混合前，將所述立方氮化硼粉末在300℃熱處理2h。
11、與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用上述技術(shù)方案，通過(guò)300℃、2小時(shí)的熱處理，所制備的立方氮化硼與氮化硅復(fù)合材料在硬度和韌性上表現(xiàn)更為出色，材料的整體結(jié)構(gòu)更加致密且穩(wěn)定，預(yù)處理后的粉末能夠更好地參與后續(xù)的高溫高壓合成反應(yīng)，避免了可能的材料失效或性能不一致的問(wèn)題，因此，該材料適用于在苛刻環(huán)境下應(yīng)用，如工業(yè)切削、耐磨材料等高要求場(chǎng)景；通過(guò)預(yù)處理去除了表面雜質(zhì)和活化粉末顆粒，使得后續(xù)合成過(guò)程中的反應(yīng)更充分，最終本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟S1中，所述立方氮化硼粉末的粒徑為450-550nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟S1中，所述預(yù)處理的方式為：在原料混合前，將所述立方氮化硼粉末在300℃熱處理2h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟S1中，所述氮化硅粉末與立方氮化硼粉末的摩爾比為3-7％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟S2中，所述高溫高壓合成處理的條件為：合成溫度1300-1500℃，合成壓力5GPa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟S2中，所述保溫的時(shí)間為15min，所述保壓的時(shí)間為16min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟S3中，所述冷
8.一種高韌性立方氮化硼復(fù)合材料，其特征在于：所述立方氮化硼與氮化硅復(fù)合材料由權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)制備方法制備而得。
9.一種權(quán)利要求8所述立方氮化硼復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于，所述應(yīng)用包括所述立方氮化硼復(fù)合材料在工業(yè)精細(xì)切削精加工中的應(yīng)用。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟s1中，所述立方氮化硼粉末的粒徑為450-550nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟s1中，所述預(yù)處理的方式為：在原料混合前，將所述立方氮化硼粉末在300℃熱處理2h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟s1中，所述氮化硅粉末與立方氮化硼粉末的摩爾比為3-7％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性立方氮化硼復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟s2中，所述高溫高...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：馬帥領(lǐng)，張松朋，連敏，程家榮，崔田，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：寧波大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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