專利名稱：反應(yīng)助劑促進(jìn)燒結(jié)硼化鈦陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反應(yīng)助劑促進(jìn)燒結(jié)硼化鈦陶瓷的方法，屬于結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
TiB2陶瓷具有高熔點，高化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕、抗氧化，高硬度、優(yōu)異的耐磨性，良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等優(yōu)良的物理與化學(xué)性能，因此被作為最有希望得到廣泛應(yīng)用的硼化物陶瓷而備受關(guān)注。盡管TB2有一系列優(yōu)異性能，但迄今為止，TB2陶瓷的應(yīng)用仍然受到很大的制約， 其原因就在于難以獲得致密的TB2燒結(jié)體。TiB2陶瓷一般要在高溫(> 2000°C )高壓(> 30MPa)下才能獲得致密的燒結(jié)體，而在如此高的燒結(jié)溫度又會促使晶粒生長過大，因此通常會考慮添加劑的引入。以往的研究一般采用添加燒結(jié)助劑通過生成液相的方式改善其燒結(jié)性能，如添加金屬燒結(jié)助劑Ni、Fe、Cr或非金屬燒結(jié)助劑A1N、S3N4, MoSi2等，但是，陶瓷的晶界或三叉晶界處殘余的低熔點相會對陶瓷的高溫力學(xué)性能和抗腐蝕性能產(chǎn)生不利的影響。因此，探索其它燒結(jié)助劑或燒結(jié)方法，在不影響材料性能的條件下實現(xiàn)其致密化是極其有必要的。為了獲得性能優(yōu)良的TW2陶瓷材料，必須采用對高溫性能無影響的燒結(jié)助劑來實現(xiàn)致密化。因此，通過反應(yīng)燒結(jié)的方法，使加入的燒結(jié)助劑能互相反應(yīng)，生成熱力學(xué)穩(wěn)定的組成相的制備工藝，既降低了燒結(jié)溫度，又不會影響材料的高溫使用性能，必將成為研究熱
點ο
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種反應(yīng)助劑燒結(jié)硼化鈦陶瓷的制備方法。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供三種可以選擇的技術(shù)方案。本發(fā)明的技術(shù)方案一包括以下步驟(1)選用Ti粉體的粒徑小于45 μ m，B粉體粒徑小于1 μ m，按照Ti，B摩爾比 1 (1 3)的配比作為燒結(jié)助劑；(2)以乙醇為溶劑，將燒結(jié)助劑先超聲分散，然后使用輥式混料機(jī)混合，再按配比加入粒徑小于10 μ m的TiB2粉體混合成漿料，燒結(jié)助劑用量為5 15wt%，所得的漿料烘干后得到混合均勻的粉料，過篩；(3)將混合均勻的粉體放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，真空氣氛下以5 200C /min升溫至1400 1500°C保溫0. 5 2h，隨后氬氣氣氛下以5 20°C /min并施加 10 50MPa的壓力升溫至1800-2000°C保溫0. 5 2h。本發(fā)明的技術(shù)方案二包括以下步驟(1)選用Ti粉體的粒徑小于45 μ m, B4C粉體粒徑小于2 μ m，以Ti，B4C摩爾比為 3 (0.5 2)的配比作為燒結(jié)助劑；(2)以乙醇為溶劑，將燒結(jié)助劑先超聲分散，然后使用輥式混料機(jī)混合，再按配比加入粒徑小于10 μ m的TiB2粉體混合成漿料，燒結(jié)助劑用量為5 15wt%，所得的漿料烘干后得到混合均勻的粉料，過篩；(3)將混合均勻的粉體放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，真空氣氛下以5 200C /min升溫至1400 1500°C保溫0. 5 2h，隨后氬氣氣氛下以5 20°C /min并施加 10 50MPa的壓力升溫至1800-2000°C保溫0. 5 2h。本發(fā)明的技術(shù)方案三包括以下步驟(1)選用Ti粉體的粒徑小于45 μ m，C粒徑小于2 μ m，以Ti，C摩爾比為1 (0. 5 2)的配比作為燒結(jié)助劑；(2)以乙醇為溶劑，將燒結(jié)助劑先超聲分散，然后使用輥式混料機(jī)混合，再按配比加入粒徑小于10 μ m的TiB2粉體混合成漿料，燒結(jié)助劑用量為5 15wt%，所得的漿料烘干后得到混合均勻的粉料，過篩；(3)將混合均勻的粉體放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，真空氣氛下以5 200C /min升溫至1400 1500°C保溫0. 5 2h，隨后氬氣氣氛下以5 20°C /min并施加 10 50MPa的壓力升溫至1800-2000°C保溫0. 5 2h。本發(fā)明通過以顆粒尺寸小于10 μ m的TB2粉體為原料，加入可以反應(yīng)的燒結(jié)助劑 (l)Ti+B, (2)Ti+B4C, (3) Ti+C，加熱過程中燒結(jié)助劑發(fā)生反應(yīng)，生成具有較高活性的TW2或 TiC 二相顆粒，通過熱壓燒結(jié)的方法，在1800-2000°C的溫度下制備出相對密度大于97%的 TiB2基材料。本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明適用于價格便宜，粒度相對較大的TB2原料(2)原位反應(yīng)生成具有較高燒結(jié)活性的第二相粒子(硼化鈦或碳化鈦)促進(jìn)TM2 陶瓷致密化，所獲得的TB2材料相對密度大于97%。(3)原位反應(yīng)生成的第二相(硼化鈦或碳化鈦)具有較高熔點，不會對基體材料的高溫性能產(chǎn)生不利的影響。(4)所制備材料組分可調(diào)，顯微結(jié)構(gòu)均勻，粒徑小。
圖1.硼化鈦中加入10wt% (Ti+B)反應(yīng)助劑后在1800°C燒結(jié)Ih后的斷裂表面形貌，氣孔較多圖2.硼化鈦中加入10wt% (Ti+B)反應(yīng)助劑后在2000°C燒結(jié)Ih后的斷裂表面形貌，致密度達(dá)到98%圖3.硼化鈦中加入10wt% (Ti+B4C)反應(yīng)助劑后在2000°C燒結(jié)Ih后的斷裂表面形貌，氣孔較少，致密度達(dá)到98%圖4.硼化鈦中加入10wt% (Ti+C)反應(yīng)助劑后在2000°C燒結(jié)Ih后的斷裂表面形貌，晶粒較均勻，致密度達(dá)到97%。
具體實施例方式實施例1以硼化鈦(< 10 μ m)粉為原料，鈦粉(< 45 μ m)和硼粉(1-5 μ m)為燒結(jié)助劑，設(shè)計反應(yīng)助劑Ti和B的添加量為IOwt %。將2. 07g鈦粉和0. 93g硼粉加入到塑料罐中，加入乙醇超聲分散15min后，在輥式混料機(jī)上以氮化硅球為介質(zhì)混料12h，后加入27g硼化鈦， 繼續(xù)混磨12h。隨后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器干燥，然后200目過篩，得到含反應(yīng)燒結(jié)助劑的硼化鈦粉體。將混合均勻的粉體放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，在真空中進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)，燒結(jié)時升溫速率為10°C /min，溫度升至1450時保溫30min，保溫結(jié)束后，施加30MPa的壓力，在氬氣氣氛下以10°C /min升溫至1800°C，保溫保壓lh。材料致密度達(dá)到77%。顯微結(jié)構(gòu)如圖1所示。實施例2按照實施例1中的方法得到含反應(yīng)燒結(jié)助劑的硼化鈦粉體。將混合均勻的粉體放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，在真空中進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)，燒結(jié)時升溫速率為10°C /min, 溫度升至1450時保溫30min，保溫結(jié)束后，施加30MPa的壓力，在氬氣氣氛下以10°C /min 升溫至2000°C，保溫保壓lh。材料致密度達(dá)到98%。顯微結(jié)構(gòu)如圖2所示。實施例3以硼化鈦(< 10 μ m)為原料，鈦粉(< 45 μ m)和碳化硼粉(1 5 μ m)為燒結(jié)助劑，設(shè)計反應(yīng)助劑Ti和B4C的添加量為IOwt %。將2. 17g鈦粉和0. 83g碳化硼粉加入到塑料罐中，加入乙醇超聲分散15min后，在輥式混料機(jī)上以氮化硅球為介質(zhì)混料1 后，加入27g硼化鈦，混合12h，然后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器干燥，過200目篩，得到含反應(yīng)燒結(jié)助劑的硼化鈦粉體。按照實施例1的方法制備陶瓷，燒結(jié)溫度1800°C，保溫保壓lh。材料致密度達(dá)到 74%。實施例4按照實施例3中的方法得到含反應(yīng)燒結(jié)助劑的硼化鈦粉體。將混合均勻的粉體放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，在真空中進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)，燒結(jié)時升溫速率為10°C /min, 溫度升至1450時保溫30min，保溫結(jié)束后，施加30MPa的壓力，在氬氣氣氛下以10°C /min 升溫至2000°C，保溫保壓lh。材料致密度達(dá)到98%。顯微結(jié)構(gòu)如圖3所示。實施例5以硼化鈦(< 10 μ m)為原料，鈦粉(< 45 μ m)和碳粉(1 5 μ m)為燒結(jié)助劑，設(shè)計反應(yīng)助劑Ti和C的添加總量為IOwt %。將2. 4g鈦粉和0. 6g碳粉加入到塑料罐中，加入乙醇超聲分散15min后，在輥式混料機(jī)上以氮化硅球為介質(zhì)混料1 后，加入27g硼化鈦， 繼續(xù)混磨12h，然后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器干燥，過200目篩，得到含反應(yīng)燒結(jié)助劑的硼化鈦粉體。按照實施例1的方法制備陶瓷，燒結(jié)溫度2000°C，保溫保壓lh。材料致密度達(dá)到97%。顯微結(jié)構(gòu)如圖4所示。
權(quán)利要求
1.反應(yīng)助劑促進(jìn)燒結(jié)硼化鈦陶瓷的方法，包括以下步驟(1)選用Ti粉體，B粉體，按照Ti，B摩爾比1 (1 3)的配比作為燒結(jié)助劑；(2)以乙醇為溶劑，將燒結(jié)助劑先超聲分散，然后混合，再按配比加入TiB2粉體混合成漿料，燒結(jié)助劑用量為5 15wt%，所得的漿料烘干后過篩；(3)將混合均勻的粉體放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，真空氣氛下以5 20°C/ min升溫至1400 1500°C保溫0. 5 2h，隨后氬氣氣氛下以5 20°C /min并施加10 50MPa的壓力升溫至1800-2000°C保溫0. 5 2h。
2.按權(quán)利要求1所述的反應(yīng)助劑促進(jìn)燒結(jié)硼化鈦陶瓷的方法，其特征在于所述Ti粉體的粒徑小于45 μ m，B粉體粒徑小于1 μ m, TiB2粉體粒徑的小于10 μ m。
3.反應(yīng)助劑促進(jìn)燒結(jié)硼化鈦陶瓷的方法，包括以下步驟(1)選用Ti粉體的粒徑小于45μ m，B4C粉體粒徑小于2 μ m，以Ti，B4C摩爾比為 3 (0.5 2)的配比作為燒結(jié)助劑；(2)以乙醇為溶劑，將燒結(jié)助劑先超聲分散，然后混合，再按配比加入粒徑小于ΙΟμπι 的TB2粉體混合成漿料，，燒結(jié)助劑用量為5 15wt%，所得的漿料烘干后過篩；(3)將混合均勻的粉體放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，真空氣氛下以5 20°C/ min升溫至1400 1500°C保溫0. 5 2h，隨后氬氣氣氛下以5 20°C /min并施加10 50MPa的壓力升溫至1800-2000°C保溫0. 5 2h。
4.按權(quán)利要求3所述的反應(yīng)助劑促進(jìn)燒結(jié)硼化鈦陶瓷的方法，其特征在于所述Ti粉體的粒徑小于45 μ m, B4C粉體粒徑小于2 μ m，TiB2粉體粒徑的小于10 μ m。
5.反應(yīng)助劑促進(jìn)燒結(jié)硼化鈦陶瓷的方法，包括以下步驟(1)選用Ti粉體的粒徑小于45μ m，C粒徑小于2 μ m，以Ti，C摩爾比為1 (0. 5 2)的配比作為燒結(jié)助劑；(2)以乙醇為溶劑，將燒結(jié)助劑先超聲分散，然后使用輥式混料機(jī)混合，再按配比加入粒徑小于10 μ m的TB2粉體混合成漿料，燒結(jié)助劑用量為5 15wt%，所得的漿料烘干后過篩；(3)將混合均勻的粉體放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，真空氣氛下以5 20°C/ min升溫至1400 1500°C保溫0. 5 2h，隨后氬氣氣氛下以5 20°C /min并施加10 50MPa的壓力升溫至1800-2000°C保溫0. 5 2h。
6.按權(quán)利要求5所述的反應(yīng)助劑促進(jìn)燒結(jié)硼化鈦陶瓷的方法，其特征在于所述Ti粉體的粒徑小于45 μ m，C粒徑小于2 μ m，TiB2粉體粒徑的小于10 μ m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種反應(yīng)助劑促進(jìn)燒結(jié)硼化鈦陶瓷的方法，屬于結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域。本發(fā)明利用添加低溫下可以反應(yīng)的復(fù)合添加劑Ti和B/B4C/C為燒結(jié)助劑，利用燒結(jié)助劑之間的原位反應(yīng)生成新的具有較好燒結(jié)活性的二相粒子來促進(jìn)TiB2陶瓷的燒結(jié)，在1800～2000℃溫度下熱壓制備相對密度大于97％的TiB2陶瓷。采用這種方法所生成的第二相(硼化鈦或碳化鈦)具有和基體同樣較高的熔點，保證了燒結(jié)助劑不會對材料的高溫力學(xué)性能帶來不利的影響。
文檔編號C04B35/63GK102249697SQ20101017696
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者張國軍, 王麗, 王佩玲, 闞艷梅 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所