一種含鋯的碳化硼基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種碳化棚基復合材料及其制備方法，特別是指一種含錯的碳化棚基 復合材料及其制備方法，屬于金屬陶瓷復合材料技術領域。
【背景技術】
[0002] 碳化棚（B4C)陶瓷因密度輕（2.4-2.5g/cm3)、烙點高（〉2400°C)、維氏硬度大（〉 27G化）、化學性能穩定W及中子吸收截面高，在輕質剎車裝置、輕質防彈裝甲、衛星抗曉曲 部件、核屏蔽部件、切割研磨部件等方面應用潛力巨大。特別是由于輕質高硬尤其適合航空 (如直升機)裝甲和防彈衣等W減重為首要前提的裝甲系統。但是，影響碳化棚廣泛使用的 原因有Ξ:
[0003] -是碳化棚的燒結溫度高，致密化困難。由于共價鍵結合，熱壓燒結溫度達到烙點 90 %，仍然只有95 % W上致密度；
[0004] 二是初性比較低，常溫下斷裂初性約為2-4MPa . ml/2,受沖擊后粉碎性破裂，在防 彈上不能抗多發彈打擊且可能對未受沖擊部位帶來破壞；
[0005] Ξ是強度低，WC-Co復合材料(硬質合金）的抗彎強度最低都在lOOOMPaW上，而已 報道的碳化棚陶瓷的抗彎強度大部分小于SOOMPa。如K . A . Schwetz (J . Solid State 化emis化y，1997,133:178-181)改變各種參數，采用高溫熱等靜壓燒結得到的碳化棚，彎曲 強度小于600MPa，V.SkoroWiod(J.Material Science Letter,2000,19:237-239)利用熱壓 燒結方法，通過添加少量的Ti〇2和C粉，制得的含TiB2的B4C陶瓷四點抗彎強度最高是 621MPa。專利CN1582264A-碳化棚質燒結體及其制造方法報道，通過優化成分，采用無壓燒 結得到的含TiB2的B4C陶瓷四點抗彎強度可提高到700M化左右。
[0006] 因此，克服碳化棚的上述Ξ個缺點，提高強度、降低燒結溫度和增加初性是目前國 內外碳化棚陶瓷研究的熱點和難點。對于輕質抗彈用的碳化棚，除硬度要求高W外，為提高 吸能、抗多發彈打擊和機械加工的需要，初性指標同樣很重要。
[0007] 碳化棚增初的方法有自增初（相變增初、彌散析出增初）和復合增初兩類，自增初 是利用燒結和熱處理工藝得到內部自生的增初相，增初機理是通過初性相的塑性變形吸 能，降低裂紋尖端的應力集中，阻止裂紋擴展。目前碳化棚自增初方面由于第二相元素的選 擇復雜，研究報道少，增初潛力有限。研究比較多的是制備時引入異質組元即復合增初，異 質組元可W是連續纖維、短纖維或晶須、顆粒和連續金屬。
[0008] 根據增初組元不同其增初機理亦有區別。
[0009] 纖維增初情況下，纖維既能承載，又可阻礙裂紋的擴展，通過纖維橋聯、裂紋偏轉、 纖維拔出機制消耗能量，增加材料初性，纖維增初碳化棚的缺點是成本高，均勻制備有困 難。
[0010] 顆粒增初常采用粉末燒結方法制備樣品，顆粒尺度在微米級或納米級。其增初機 理是顆粒和微裂紋作用導致的顆粒誘導開裂耗能、裂紋偏轉和裂紋橋聯耗能增初。研究較 多的增初顆粒（或粘接劑）有C、Ti、Zr02、SiC、TiB2、Si等，缺點是增初效果有限，如專利 CN1582264A-碳化棚質燒結體及其制造方法報道的含TiB2的B4C陶瓷，其斷裂初性只有 2.8MPa · mi/2。
[0011] 連續金屬增初碳化棚是采用溶滲法在碳化棚骨架里引入高含量連續初性金屬。運 種工藝制備的B4C-Metal是雙連續相復合結構，B4C顆粒燒結成互連的整體，溶滲的金屬也是 連續的整體，復合材料整體硬度高，而初性大大提高，抗沖擊性能不降低，例如國外公開報 道的B4C-MgSi的抗彈指數η平均為8,不低于純燒結碳化棚（N Frage，React ion-bonded Boron-Carbide/Magnesium-Silicon Composites.Applied Ceramic Technology,2014, 11:273-279)。缺點是，制備過程較為復雜，對設備要求較高，連續增初金屬只能采用烙點較 低的金屬，因此不能在高溫條件下使用。
[0012] 錯是一種稀有金屬，具有抗腐蝕性能好、烙點高等特性，被廣泛用在航空航天、軍 工、核反應、原子能領域。金屬錯的加入不但能增加碳化棚的初性，還能使得復合材料可應 用于高溫場合。但是因錯金屬活性大，采用常規粉末冶金燒結方法，因燒結溫度高W及燒結 時間長，高溫燒結時金屬錯和碳化棚基體很快反應完畢，很難得到含錯金屬的增初碳化棚 復合材料。
【發明內容】
[0013] 本發明的一個目的正是針對現有技術中存在的缺點而設計提出了一種組分配比 合理，密度低，硬度高，斷裂初性好，耐高溫的含錯的碳化棚基復合材料。
[0014] 本發明的另一目的是提供一種制備工藝簡單，操作方便，制備的復合材料密度低， 硬度高，斷裂初性好，耐高溫的含錯的碳化棚基復合材料的快速直接制備方法。
[0015] 本發明一種含錯的碳化棚基復合材料，包括下述組分按質量百分比組成：
[0016] 碳化棚 30-90wt.%，
[0017] 錯 10-70wt.%。
[0018] 本發明一種含錯的碳化棚基復合材料，包括下述組分按質量百分比組成：
[0019] 碳化棚 40-80wt.%，
[0020] 錯 20-60wt.%。
[0021] 本發明一種含錯的碳化棚基復合材料，包括下述組分按質量百分比組成：
[0022] 碳化棚 50-80wt.%，
[0023] 錯 20-50wt.%。
[0024] 本發明一種含錯的碳化棚基復合材料，碳化棚粉和錯粉的平均粒度均為0.1-10化 ΓΠ 〇
[0025] 本發明一種含錯的碳化棚基復合材料，碳化棚粉和錯粉的純度均在98-99.999%。
[0026] 本發明一種含錯的碳化棚基復合材料的制備方法，包括下述步驟：
[0027]第一步:配料
[0028] 按設計的碳化棚基復合材料組份配比稱取碳化棚粉和錯粉，球磨混合均勻，得到 混合粉末；
[0029] 第二步:真空燒結
[0030] 將混合粉末裝入石墨模具中，進行放電等離子燒結，燒結工藝參數為：
[0031 ] 真空度1-10化，對模具中的粉末施加1-lOMPa壓力，W50-200°C/分鐘的升溫速率 升溫至1000-2000°C，保溫l-2min后，將壓力提升至15-70M化，繼續保溫5-30min后，W80- 120°C/分鐘的速率降溫至300-800°C后，隨爐冷卻至室溫，得到成品。
[0032] 本發明一種含錯的碳化棚基復合材料的制備方法，第一步中，球磨混合工藝參數 為:球磨機轉速50-150轉/分鐘，球料質量比1:0.5-1，球磨混合時間3-5小時。
[0033] 本發明一種含錯的碳化棚基復合材料的制備方法，第二步中，放電等離子設備升 溫及保溫階段，施加的電流320-4000A，電壓4-7V，電流參數on-of f選自9ms-lms、8ms-2ms、 6ms-4ms、5ms-5ms 中的一種。
[0034] 本發明一種含錯的碳化棚基復合材料的制備方法，第二步中，優化的燒結工藝參 數為：
[00巧]真空度l-6Pa，對模具中的粉末施加壓力，W60-I50°c/分鐘的升溫速率升 溫至1100-1800°C，保溫后，將壓力提升至25-60Mpa，繼續保溫5-25mim后，W90-120 °C/分鐘的速率降溫至500-800°C。
[0036] 本發明一種含錯的碳化棚基復合材料的制備方法，碳化棚粉和錯粉的平均粒度均 為 0.1-100皿。
[0037] 本發明一種含錯的碳化棚基復合材料的制備方法，碳化棚粉和錯粉的純度均在 98-99.9%。
[0038] 本發明制備含錯的碳化棚復合材料的方法工作原理：
[0039] 本發明采用放電等離子技術燒結成型碳化棚-錯復合材料，燒結過程集放電等離 子活化、電阻加熱為一體，在粉末顆粒間產生大的脈沖電流（io3-io4a)，并有效利用了粉末 顆粒間放電產生的自發熱作用。選用的大升溫速率，短保溫時間，能有效減少碳化棚和錯粉 的反應，提高復合材