一种碳化硅晶须增韧碳化硼陶瓷复合材料的制备方法及产品

摘要

本发明公开一种碳化硅晶须增韧碳化硼陶瓷复合材料的制备方法及产品，采用低温反应烧结结合冷等静压的方法制备B4C坯体，降低烧结温度，提高压坯相对密度；另一方面，通过采用晶须增韧的方法，增加裂纹扩展阻力，提高B4C陶瓷断裂韧度。

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，涉及复合材料的制备工艺，尤其是一种碳化硅增韧碳化硼陶瓷复合材料的制备方法。

背景技术

B₄C因具有高硬度、高熔点、低密度、高耐磨性、高吸收中子性等一系列优良性能而被广泛应用，但其也存在两个致命的弱点：一是烧结困难，由于碳化硼陶瓷中硼和碳以较强的共价键结合(共价键的成分高达93.9%)；二是断裂韧性低(KIC<2.2MPa·m^1/2)，以上的两个缺陷使碳化硼陶瓷的应用受到了极大的限制。

目前对B₄C陶瓷进行增韧用的最多的是SiCw。在B₄C陶瓷中添加SiCw，制备SiCw/B₄C复合材料。SiCw在陶瓷的断裂过程中会发生晶须的脱粘拔出、裂纹偏转，这都消耗了能量，增强了材料的断裂韧度和强度。对于B₄C烧结问题，一般的烧结方法归结起来主要有常压烧结、热压烧结、高温等静压烧结等。但常压烧结材料的致密度较低，很难达到所需要求；热压烧结、高温等静压烧结能制得高致密度和高性能的陶瓷材料，但烧结温度高，对设备要求高且不易控制。

目前的B₄C陶瓷产品制备工艺都存在烧结温度高(2000~2300℃)、成本大的问题，高温烧结往往还会导致晶须损伤，而且采用这种工艺制备的产品尺寸受到限制，只能做形状简单的制品。

本发明克服了上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种在较低温度下制备高致密度、高断裂韧度的SiCw/B₄C陶瓷复合材料。

本发明解决上述缺陷所采取的技术方案是：采用低温反应烧结结合冷等静压的方法制备B₄C坯体，降低烧结温度，提高压坯相对密度；另一方面，通过采用晶须增韧的方法，增加裂纹扩展阻力，提高B₄C陶瓷断裂韧度。

本发明的技术方案是通过以下工艺步骤实现的：

（1）按质量百分比将5~8wt%的炭黑、15~20wt%的SiCw、70~80wt %的碳化硼颗粒加入到球磨罐中，再加入1.5~2wt.%的石蜡、0.5~1wt.%四甲基氢氧化铵，以粉体质量1.5~2倍的无水乙醇作为球磨介质球磨24小时，得到浆料；

（2）将上述所得球磨料倒入托盘中并将其置于烘箱中40~60℃干燥，当烘干至粉体湿度为2%~3%左右时将粉体取出，60目过筛，取筛下物装入模具中，在液压机上以60~100MPa压力进行预压成型，获得具有一定密度的素坯；

（3）将步骤（2）所预压过的素坯进行冷等静压处理，具体工艺为将素坯包裹于橡胶模套中，并在冷等静压机中以180~200MPa的压力进行再次压制 5~10 分钟；

（4）将步骤3冷等静压压制后的生坯进行热处理，具体工艺为：将素坯放置于流动的氢气推舟式还原炉中，在三个温度下进行保温，三个温度的设定范围分别为350~400 ℃、450~600℃、650~800℃，推舟速度设为15~20分/舟，分别保温25~35min，排胶后得到多孔毛坯；

（5）将步骤4得到的多孔毛坯置于石墨坩埚，在毛坯上放置理论需硅量（理论需硅msi=坯体孔隙度×毛坯表观体积×ρsi）2倍的粉状或块体硅，在10^-2~10^-3Pa的真空环境下于1450℃~1600℃温度下保温30~90min，随炉冷却后即可得到高致密度、高断裂韧度的SiC_w/B₄C陶瓷复合材料。

上述步骤（1）中碳化硼粉料的粒度为3.5~12.8μm。 

上述步骤（1）中碳化硅晶须的长径比≥20。

上述步骤（1）中无水乙醇的量为粉体质量的1.5~2倍。

上述步骤（5）中的在毛坯上放置的硅的量为理论需硅量2倍的粉状或块体硅，理论需硅硅量为坯体孔隙度乘以毛坯表观体积后再乘以硅密度。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1.本发明所提出的制备工艺在较低温度（1450～1600℃）下得到SiCw/B₄C复合材料，降低了烧结温度，大幅度降低了制备成本。

2.本发明所得的材料致密度高达96%~98%，这个结果在晶须增韧陶瓷方面还是达到了相当高的致密效果。

3.本发明制备的材料断裂韧度高，SiCw 从B₄C基体中拔出时消耗掉一部分外界载荷的能量，使B₄C的断裂韧性达到4.9~6.3MPa·m^1/2。此方法在低温、低成本的基础上得到的材料断裂韧性不低于一些高温热压工艺。

附图说明

图 1、2分别为碳化硼粉体、碳化硅晶须的微观形貌图。

图 3为本发明制备的复相陶瓷的金相组织照片。

图4为本发明制备的复相陶瓷断裂后，在其断面观察到的碳化硅晶须脱粘拔出的形貌图。

具体实施方式

实施例1

一种SiCw增韧B₄C陶瓷复合材料的制备方法，它包括以下步骤：

（1）按质量百分比将5%的炭黑、15%SiCw、78%的碳化硼颗粒、加入到球磨罐中，再加入1.5%的石蜡、0.5%四甲基氢氧化铵，以粉体质量160%的无水乙醇作为球磨介质球磨24小时，得到浆料。

（2）然后将球磨料倒入托盘中并将其置于烘箱中60℃干燥，当烘干至粉体湿度为3%左右时将粉体取出，60目过筛，取筛下物装入模具中，在液压机上以60MPa压力进行预压成型，获得具有一定密度的素坯。

（3）将上述所预压过的素坯包裹于橡胶模套中，并在冷等静压机中以180MPa的压力进行再次压制。

（4）将冷等静压压制后的生坯放置于流动的氢气推舟式还原炉中，分别在380℃、550℃、700℃三个温度下进行保温30min，排胶得到多孔毛坯。

（5）将毛坯至于石墨坩埚，在毛坯上放置30g块体的硅，在10^-3Pa的真空环境下于1550℃保温30min，随炉冷却后即可得到高致密度、高断裂韧度的SiCw/B₄C陶瓷材料。

 

实施例2

一种SiCw增韧B₄C陶瓷复合材料的制备方法，它包括以下步骤：

（1）按质量百分比将8%的炭黑、19%SiCw、70%的碳化硼颗粒、加入到球磨罐中，再加入2%的石蜡、1%四甲基氢氧化铵，以粉体质量200%无水乙醇作为球磨介质球磨24小时，得到浆料。

（2）然后将球磨料倒入托盘中并将其置于烘箱中50℃干燥，当烘干至粉体湿度为2%左右时将粉体取出，60目过筛，取筛下物装入模具中，在液压机上以90MPa压力进行预压成型，获得具有一定密度的素坯。

（3）将上述所预压过的素坯包裹于橡胶模套中，并在冷等静压机中以200MPa的压力进行再次压制。

（4）将冷等静压压制后的生坯放置于流动的氢气推舟式还原炉中，分别在400℃、600℃、800℃三个温度下进行保温35min，排胶得到多孔毛坯。

将毛坯至于石墨坩埚，在毛坯上放置32g硅粉，在10^-3Pa的真空环境下于1480℃保温60min，随炉冷却后即可得到高致密度、高断裂韧度的SiCw/B₄C陶瓷材料。