【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及輕質(zhì)陶瓷材料及其應用領域，更具體地說，涉及一種碳化硼基仿生疊層陶瓷材料及其制備方法。
技術介紹
1、硼化物陶瓷是一類重要的工程材料，由于其獨特的物理化學性質(zhì)(如高硬度、高模量、低比重、優(yōu)良的耐高溫性能和導電性)在現(xiàn)代高技術行業(yè)中具有十分重要的應用前景。近十年來，有關硼化物陶瓷材料的研究在國內(nèi)外引起了極大的關注。在低比重的前提下，如何進一步提高碳化硼陶瓷的力學性能是目前研究的關鍵問題之一。大量的研究表明，通過細化陶瓷材料的晶粒尺寸，制備超細晶粒陶瓷可以較好的提高材料的強度和韌性，同時通過第二相強化技術也是提高陶瓷材料的技術途徑。但是碳化硼納米粉末的制備十分困難，同時高溫燒結過程中也難免會存在晶粒的快速生長。因此，制備具有高強度、高韌性的碳化硼超細晶粒陶瓷仍然是一個難題。近年來，科學家們學習自然界中貝殼珍珠層的多級層狀結構，通過仿生結構設計，發(fā)展了層狀結構陶瓷的制備與研究。層狀陶瓷的設計建立在能量耗散的機制之上，通過合理的疊層設計，降低材料力學性能對缺陷的敏感性，從而提高陶瓷韌性。相較于塊體陶瓷，裂紋在層狀陶瓷中有更長的擴展路徑，從而提高斷裂韌性。同時層狀結構的疊層陶瓷由于各層熱膨脹系數(shù)的失配，會在界面中產(chǎn)生殘余應力，適當?shù)臍堄鄳σ矔αW性能產(chǎn)生有利的影響。因此層狀結構對于陶瓷力學性能的提升效果顯著。目前已經(jīng)有研究表明，疊層結構能夠捕捉主要裂紋并使得裂紋偏轉，層狀陶瓷的斷裂韌性明顯高于塊體陶瓷，并且層狀陶瓷對缺陷及損傷的敏感性較低。疊層結構對于碳化硼基陶瓷力學性能的提升有著廣闊的研究潛力。在彌散強化韌化技術方面，研
2、碳化硼陶瓷的致密化十分困難，一般采用陶瓷微粉混合后高溫壓力燒結，燒結溫度高、材料顯微結構和性能不理想。研究表明，采用原位反應合成制備方法不僅可以獲得超細晶粒結構的碳化硼復合陶瓷，而且能夠?qū)崿F(xiàn)復合材料組織均勻，晶粒細化的效果，可望獲得優(yōu)良的性能。
3、原位合成反應一般是利用化學反應來實現(xiàn)材料合成的。相關的研究表明，在碳化硼-硼化鈦復合陶瓷的原位合成系統(tǒng)中，利用碳化鈦與硼之間的化學反應可以較好的獲得碳化硼-硼化鈦復合陶瓷，但是，在這個合成系統(tǒng)中，碳化硼-硼化鈦復合陶瓷之間的成分比例一般是根據(jù)化學反應方程式確定的，難以在較大的范圍內(nèi)調(diào)控，碳化硼的含量一般不大于45wt％，這導致碳化硼復合陶瓷的比重大幅提高，喪失了碳化硼陶瓷輕質(zhì)陶瓷的特性，同時造成其硬度的下降。
技術實現(xiàn)思路
1、本專利技術要解決的技術問題在于，提供一種碳化硼基仿生疊層陶瓷材料及其制備方法，其工藝簡單，各層之間結合良好，可以很好的控制顯微、界面結構，實現(xiàn)晶粒的細化，制備出比重小、強度和韌性良好的碳化硼基仿生疊層陶瓷復合材料。
2、本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：構造一種碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：
3、s1、將碳化硼粉體、碳化鈦粉體和硼粉以無水乙醇為介質(zhì)混合，混合料漿經(jīng)過旋轉蒸發(fā)后，在真空干燥箱內(nèi)烘干后過篩造粒，得到a、b三元混合粉體；
4、s2、將a、b三元混合粉體依次平鋪裝入石墨模具中，形成“a-b-a”型三層結構，在真空條件下進行高溫壓力燒結制備出碳化硼基仿生疊層陶瓷材料。
5、按上述方案，所述碳化硼粉體粒度為2-8μm，純度大于97％；所述碳化鈦粉體粒度為2-4μm，純度大于99％；所述硼粉粒度為1-3μm，純度大于95％；所述碳化硼粉體、碳化鈦粉體和硼粉的原料粉體混合物按重量百分比計，包括碳化硼粉體55.14wt％-82.03wt％，碳化鈦粉體8.60wt％-21.56wt％，硼粉9.36wt％-23.30wt％。
6、按上述方案，所述“a-b-a”型三層結構中，經(jīng)過燒結、加工之后的外層厚度約為0.75mm，中間層厚度為1.5mm。
7、按上述方案，所述步驟s1中，碳化硼粉體、碳化鈦粉體和硼粉采用行星球磨機轉速為200-300r/min。
8、按上述方案，所述步驟s1中，真空干燥箱溫度為60-100℃，干燥時間為24-48h。
9、按上述方案，所述步驟s1中，過篩為100-325目。
10、按上述方案，所述步驟s2中，真空條件為優(yōu)于20pa。
11、按上述方案，所述步驟s2中，高溫壓力燒結的方法為：在10mpa壓力下以10-15℃/min的升溫速度升溫到1400℃，隨后以10-15℃/min的升溫速度升溫到1950-2000℃，同時壓力升至30mpa。保溫保壓燒結30-60min，之后自然冷卻。
12、本專利技術還提供一種碳化硼基仿生疊層陶瓷材料，由碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法制成。
13、按上述方案，所制備的碳化硼基疊層陶瓷的體積密度為2.638g/cm3，抗彎強度為826mpa，硬度為38.43gpa，斷裂韌性為7.93mpa·m1/2。
14、實施本專利技術的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料及其制備方法，具有以下有益效果：
15、1、本專利技術采用原位反應燒結技術，以碳化硼、碳化鈦粉體和硼粉為原料制備碳化硼-硼化鈦復合材料，解決了原位復合碳化硼陶瓷中碳化硼含量低、材料比重大、硬度下降等問題及超細粉體難以均勻混合分散的制備關鍵技術，燒結得到的復相陶瓷具有晶粒細小、致密度高等優(yōu)點；
16、2、本專利技術仿生設計了一種“a-b-a”型的三層疊層陶瓷結構，各層具有良好的界面結合性，為碳化硼陶瓷提供了額外的強韌化機制，在維持碳化硼基陶瓷低密度的同時，使彎曲強度、硬度、斷裂韌性協(xié)同增長，獲得了優(yōu)異的綜合力學性能，最佳工藝條件下體積密度為2.638g/cm3，抗彎強度為826mpa，硬度為38.16gpa，斷裂韌性為7.93mpa·m1/2。
17、3、本專利技術采用原位合成技術原理，通過仿生結構設計發(fā)展碳化硼-硼化鈦三層疊層復合陶瓷材料，以提升碳化硼陶瓷的綜合性能和應用范圍，研究成果在耐磨陶瓷部件、抗沖擊防護材料等領域有重要的應用價值，采用的原料易得，制備工藝簡單，制備成本低，產(chǎn)品易于加工，適用于大規(guī)模生產(chǎn)；
18、4、本專利技術充分利用碳化鈦與單質(zhì)硼之間的原位合成反應放出的能量和高活性生成產(chǎn)物，促進致密化，細化晶粒尺寸；同時采用仿生疊層結構設計，為陶瓷提供了額外的強化機制，解決了碳化硼基陶瓷彎曲強度、硬度、斷裂韌性無法協(xié)同增長的問題，進一步提高了碳化硼陶瓷的力學性能，所得產(chǎn)品同時具備低密度、高強度、高硬度等特點。
19、5、為了在較大范圍內(nèi)調(diào)控碳化硼的含量，同時滿足疊層陶瓷層間結合的需要，本專利技術在充分利用硼-碳化鈦原位合成優(yōu)點的基礎上，在合成體系中添加超細碳化硼原料來調(diào)控碳化硼的含量，實現(xiàn)了碳化硼含量在75-90wt％之間的任意調(diào)控，在保證碳化硼復合陶瓷材料的高硬度和低比重優(yōu)點的前提下，提高了材料的力學性能，降低了燒結制備溫度。
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1.一種碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權利要求1所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述碳化硼粉體粒度為2-8μm，純度大于97％；所述碳化鈦粉體粒度為2-4μm，純度大于99％；所述硼粉粒度為1-3μm，純度大于95％；所述碳化硼粉體、碳化鈦粉體和硼粉的原料粉體混合物按重量百分比計，包括碳化硼粉體55.14wt％-82.03wt％，碳化鈦粉體8.60wt％-21.56wt％，硼粉9.36wt％-23.30wt％。
3.根據(jù)權利要求1所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述“A-B-A”型三層結構中，經(jīng)過燒結、加工之后的外層厚度約為0.75mm，中間層厚度為1.5mm。
4.根據(jù)權利要求2所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述步驟S1中，碳化硼粉體、碳化鈦粉體和硼粉采用行星球磨機混合，行星球磨機轉速為200-300r/min。
5.根據(jù)權利要求3所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述步驟S1中，真空干燥箱溫度為60-
6.根據(jù)權利要求4所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述步驟S1中，過篩為100-325目。
7.根據(jù)權利要求1所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中，真空條件為優(yōu)于20Pa。
8.根據(jù)權利要求7所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中，高溫壓力燒結的方法為：在10MPa壓力下以10-15℃/min的升溫速度升溫到1400℃，隨后以10-15℃/min的升溫速度升溫到1950-2000℃，同時壓力升至30MPa；保溫保壓燒結30-60min，之后自然冷卻。
9.一種碳化硼基仿生疊層陶瓷材料，其特征在于，由權利要求1-8任一項所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法制成。
10.一種根據(jù)權利要求9所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料，其特征在于，所制備的碳化硼基疊層陶瓷的體積密度為2.638g/cm3，抗彎強度為826MPa，硬度為38.43GPa，斷裂韌性為7.93MPa·m1/2。
...【技術特征摘要】
1.一種碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權利要求1所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述碳化硼粉體粒度為2-8μm，純度大于97％；所述碳化鈦粉體粒度為2-4μm，純度大于99％；所述硼粉粒度為1-3μm，純度大于95％；所述碳化硼粉體、碳化鈦粉體和硼粉的原料粉體混合物按重量百分比計，包括碳化硼粉體55.14wt％-82.03wt％，碳化鈦粉體8.60wt％-21.56wt％，硼粉9.36wt％-23.30wt％。
3.根據(jù)權利要求1所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述“a-b-a”型三層結構中，經(jīng)過燒結、加工之后的外層厚度約為0.75mm，中間層厚度為1.5mm。
4.根據(jù)權利要求2所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述步驟s1中，碳化硼粉體、碳化鈦粉體和硼粉采用行星球磨機混合，行星球磨機轉速為200-300r/min。
5.根據(jù)權利要求3所述的碳化硼基仿生疊層陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述步驟s1中，真空干...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：解晶晶，李英杰，陳希詔，王為民，王榮杰，
申請(專利權)人：武漢理工大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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