專利名稱：一種Al₂O₃-Ni-C-B₄C復相陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷及其制備方法，屬于超硬防護結構陶瓷 材料的制備技術領域。
背景技術：
碳化硼最重要的性能在于其超常的硬度(莫氏硬度為9. 3，顯微硬度為55 67Gpa)，其硬度僅次于金剛石和立方氮化硼，尤其是其近于恒定的高溫強度，使之成為理想 的高溫耐磨材料；碳化硼密度很小(理論密度為2. 52X 103kg/m3)，是陶瓷材料中較輕的。因 此碳化硼陶瓷是耐磨制品以及防彈材料等領域重點開發(fā)的內容。目前制備碳化硼陶瓷材料常用的方法為熱壓燒結和無壓燒結。熱壓燒結方法是 制造高致密度碳化硼陶瓷的主要方法，但由于碳化硼本身晶界擴散較慢和比表面積較小， 熱壓法生產的制品仍具有燒結溫度高的缺點，熱壓法成本較高，另外采用熱壓燒結的方法 不便于加工形狀復雜的構件。無壓燒結的碳化硼陶瓷制品的致密度低，且燒結溫度較熱壓 燒結更高(2200 2350°C )。研究表明，在碳化硼中添加第二相可以形成液相降低燒結溫 度，提高硬度和抑制晶粒長大，常見的添加助劑有金屬鋁、硼化鈦以及碳化硅等，但目前碳 化硼陶瓷的燒結溫度過高的問題仍未得到很好的解決。因此開發(fā)一種較低生產成本并兼顧 低密度和高硬度的B4C基復合陶瓷的制造技術，具有重要的應用價值和技術創(chuàng)新意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對B4C本身晶界擴散很慢而造成無壓常規(guī)燒結溫度過高的問 題，提出以金屬Ni和C作為燒結助劑，并依靠添加的Al2O3生成的新液相AlB12C2等方式達 到在較低燒結溫度下無壓燒結制備B4C基復合陶瓷的目的，此外，該無壓燒結在埋碳的還原 性氣氛中進行。這種制備B4C基復合陶瓷的新方法具有生產成本低、密度低和硬度高等諸 多優(yōu)點。本發(fā)明提出的一種Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷及其制備方法，其特征在于所述 Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷是以α -Al2O3粉、B4C粉體、金屬Ni粉和碳源(炭黑、石墨、焦炭 粉或酚醛樹脂)為主要原料，以聚乙烯醇等為結合劑，將各原料按一定比例混合后再經過 成型、干燥、燒成等工藝過程制備出Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷。本發(fā)明所述的α-Al2O3粉、 B4C粉體、金屬Ni粉和碳源(炭黑、石墨、焦炭粉或酚醛樹脂)等原料均為市售工業(yè)原料，所 述α -Al2O3粉體的質量要求為α -Al2O3的純度大于95wt. %，粉料粒徑為d5(1 < 10 μ m，其 加入量為總配料質量的0. 1 30. Owt. % ；所述B4C粉體的純度大于91wt. %，粉料粒徑
<5 μ m，其加入量為5. 0 99. 9wt. % ；所述金屬Ni粉的純度大于92wt. %，粉料粒徑為d5Q
<50 μ m，其加入量為0. 1 15. Owt. % ；所述碳源可以是炭黑、石墨、焦炭等含碳材料或酚 醛樹脂等高溫條件下可以發(fā)生碳化反應的原料，其質量要求為碳含量(或碳化反應后產物 中碳的含量)的百分比大于95wt. %，灰分不大于8%，揮發(fā)分不大于7%，硫含量小于2%， 水分不大于5%，粉料粒徑為d5(l < 50μπι，其用法可以是分別單獨加入，也可以是它們的混合物加入，若混合加入，其混合比例沒有特殊要求，總加入量為0. 1 10.0wt.%。本發(fā)明所 述Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷采用的結合劑可以為聚乙烯醇、樹脂、浙青或焦油等，均為市售 工業(yè)原料，其用法可以是分別單獨加入或者是它們的混合物加入，各結合劑之間的混合比 例沒有特殊要求，其加入后殘?zhí)苛繛?. 1 10. Owt %。本發(fā)明所述的Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷材料的制備方法的特征制備工藝過程依次 為1)將Ci-Al2O3粉、B4C粉體、金屬Ni粉和碳源(炭黑、石墨、焦炭粉或酚醛樹脂)按 一定配比混合后加入球磨機中球磨0. 1 24h至各原料混合均勻，球磨的方式可以選用干 法球磨或濕法球磨，其中球磨介質可以選用金屬球、陶瓷球或瑪瑙球等，濕法球磨選用的球 磨液可以是水或無水乙醇等。然后將混合均勻的原料經過成型、干燥等工藝過程制成坯體， 其中成型工藝可以是干壓成型、半干壓成型或等靜壓成型，成型壓力約為100 300MPa。2)將上述干燥好的坯體置于耐高溫匣缽中進行燒成。首先在空匣缽底部鋪放1 20mm的焦炭顆粒和焦炭粉，焦炭顆粒和焦炭粉的比例沒有要求，然后再鋪放1 20mm的 氧化鋁空心球，將粉料坯體至于氧化鋁空心球鋪層上，并用氧化鋁空心球將坯體覆蓋，最后 在匣缽最上層也鋪放焦炭顆粒和焦炭粉，將匣缽完全填滿后用耐高溫材料密封，然后將匣 缽置于高溫爐中進行燒成，其中熱工窯爐可以是電爐、馬弗式燃氣窯或燃煤窯或燃油窯、隧 道窯、管式爐、立式爐、電弧爐等。匣缽及其匣缽內的Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷經過常溫至 2350°C的溫度范圍內燒成過程中升溫速度沒有特殊要求，在相應的溫度下可以分別保溫一 定時間，在最終燒成溫度下(1650 2350°C )保溫0. 5 24小時，然后自然冷卻至室溫并 去除掩埋的焦炭顆粒和細粉即可得到所述的Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷。本發(fā)明所制備的這種Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷具有密度低、硬度大、強度高和彈性 模量優(yōu)異等特點，該方法的生產成本低、制備工藝簡單、產品性能好、產品易于成型，所使用 的高溫爐可以采用空氣氣氛的電加熱窯爐、燃氣加熱窯爐、燃油加熱窯爐微波加熱爐、感應 加熱爐和燃煤加熱窯爐等，易于實現工業(yè)化生產。


無
具體實施例方式實施例1原料及要求α -Al2O3粉加入量為5wt. %，要求純度大于95wt. %，粉料粒徑d5(1 < 10 μ m ；Ni粉 加入量為3wt. %，要求純度大于92wt. %，粉料粒徑d5(1 < 50 μ m ；炭黑加入量為5wt. %，要 求碳含量百分比大于95wt. % ；其余為碳化硼粉，要求碳化硼粉規(guī)格為w3. 5 (d50 = 3. 5 μ m) 和w5 (d50 = 5 μ m)兩種不同粉料粒徑的碳化硼粉按質量比4 1配料，即w3. 5碳化硼粉加 入量為69. 6wt. %，w5碳化硼粉加入量為17. 4wt. %，純度都大于91wt. %。球磨將上述原料裝入球磨機以無水乙醇為介質，濕法球磨12h。干燥、研磨70 120°C普通烘箱靜置干燥12h，然后將原料倒入研缽中研磨30min。成型
先在原料中加入聚乙烯醇(PVA)的水溶液作為黏結劑，其濃度約為7%，用量為粉末質量的5%，然后在鋼模中30MPa預成型，最后在200MPa、保壓Imin的條件下冷等靜壓成型。埋炭法燒結首先在耐火匣缽底部鋪放1 20mm的焦炭顆粒和焦炭粉，然后再鋪 放Imm 20mm的氧化鋁空心球，將粉料坯體至于氧化鋁空心球鋪層上，并用氧化鋁空心球 將坯體覆蓋，最后在匣缽最上層也鋪放焦炭顆粒和焦炭粉，焦炭顆粒和焦炭粉的比例沒有 要求，將匣缽完全填滿后密封匣缽。匣缽密封后置于高溫爐中加熱，其陶瓷坯體的燒結溫度 為1650 2350°C，在最高燒結溫度時保溫0. 5 12h，然后自然冷卻至室溫，即得到本發(fā)明 涉及的Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷材料。所得制品的主要性能指標如下體積密度2. 39g/cm3 ；維氏硬度(HV) 32. IGPa ；斷裂韌性6. 52MPa · m1/2 ；抗彎強 度452. 8MPa。實施例2原料及要求α -Al2O3粉加入量為5wt. %，要求純度大于95wt. %，粉料粒徑d5(1 < 10 μ m ；Ni粉 加入量為3wt. %，要求純度大于92wt. %，粉料粒徑d5(1 < 50 μ m ；炭黑加入量為5wt. %，要 求碳含量百分比大于95wt. % ；碳化硼粉加入量為83wt. %，要求碳化硼粉規(guī)格為wl.5(d5Q =1.5“111)，純度大于9^^. % .球磨將上述原料裝入球磨機以無水乙醇為介質，濕法球磨12h。干燥、研磨70 120°C普通烘箱靜置干燥12h，然后將原料倒入研缽中研磨30min。成型先在原料中加入聚乙烯醇(PVA)的水溶液作為黏結劑，其濃度約為7%，用量為粉 末質量的5%，然后在鋼模中30MPa預成型，最后在200MPa、保壓Imin的條件下冷等靜壓成型。埋炭法燒結首先在耐火匣缽底部鋪放1 20mm的焦炭顆粒和焦炭粉，然后再鋪 放1 20mm的氧化鋁空心球，將粉料坯體至于氧化鋁空心球鋪層上，并用氧化鋁空心球將 坯體覆蓋，最后在匣缽最上層也鋪放焦炭顆粒和焦炭粉，焦炭顆粒和焦炭粉的比例沒有要 求，將匣缽完全填滿后密封匣缽。匣缽密封后置于高溫爐中加熱，其陶瓷坯體的燒結溫度為 1650 2350°C，在最高燒結溫度時保溫0. 5 12h，然后自然冷卻至室溫，即得到本發(fā)明涉 及的Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷材料。所得制品的主要性能指標如下體積密度2· 43g/cm3 ；維氏硬度(HV) 32. 5GPa ；斷裂韌性6· 64MPa · m1/2 ；抗彎強 度460. 3MPa。實施例3原料及要求α-Al2O3粉加入量為5wt. %，要求純度大于95wt. %，粉料粒徑d5(1< 10 μ m ;Ni 粉加入量為3wt. %，要求純度大于92wt. %，粉料粒徑d5(1 < 50μπι;加入量相當于5wt. %殘?zhí)嫉姆尤渲?殘?zhí)柯蕿?6. 5%)；其余為碳化硼粉，要求碳化硼粉規(guī)格為w3. 5 (d5Q = 3. 5 u m)和w5 (d50 = 5um)兩種不同粉料粒徑的碳化硼粉按質量比4 1配料，即w3. 5碳 化硼粉加入量為69. 6wt. %,w5碳化硼粉加入量為17. 4wt. %，純度都大于91wt. %。球磨先用無水乙醇溶解酚醛樹脂，再加入a -A1203粉、Ni粉和碳化硼粉，以無水乙醇為 介質，濕法球磨12h。干燥、研磨70 120°C普通烘箱靜置干燥12h，然后將原料倒入研缽中研磨30min。成型原料直接在鋼模中30MPa預成型，最后在200MPa、保壓lmin的條件下冷等靜壓成型。埋炭法燒結首先在耐火匣缽底部鋪放1 20mm的焦炭顆粒和焦炭粉，然后再鋪 放1 20mm的氧化鋁空心球，將粉料坯體至于氧化鋁空心球鋪層上，并用氧化鋁空心球將 坯體覆蓋，最后在匣缽最上層也鋪放焦炭顆粒和焦炭粉，焦炭顆粒和焦炭粉的比例沒有要 求，將匣缽完全填滿后密封匣缽。匣缽密封后置于高溫爐中加熱，其陶瓷坯體的燒結溫度為 1650 2350°C，在最高燒結溫度時保溫0. 5 12h，然后自然冷卻至室溫，即得到本發(fā)明涉 及的Al203-Ni-C-B4C復相陶瓷材料。所得制品的主要性能指標如下體積密度2. 45g/cm3 ；維氏硬度(HV) 33. OGPa ；斷裂韌性6. 72MPa m1/2 ；抗彎強 度463. 9MPa。
權利要求
一種Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷，其特征在于所述Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷是以α-Al2O3粉、B4C粉體、金屬Ni粉和碳源(炭黑、石墨、焦炭粉或酚醛樹脂)為主要原料，以聚乙烯醇等為結合劑，將各原料按一定比例混合后再經過成型、干燥、燒成等工藝過程制備出Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷。
2.根據權利要求1所述的一種Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷，其特征在于所述α-Α1203 粉體為市售工業(yè)原料，其加入量為總配料質量的0. 1 30. Owt. % ；所述B4C粉體為市售工 業(yè)原料，其加入量為5. 0 99. 9wt. % ；所述金屬Ni粉為市售工業(yè)原料，其加入量為0. 1 15. Owt. % ；所述碳源可以是炭黑、石墨、焦炭等含碳材料或酚醛樹脂等高溫條件下可以發(fā) 生碳化反應的原料，其用法可以是分別單獨加入，也可以是它們的混合物加入，若混合加 入，其混合比例沒有特殊要求，總加入量為0. 1 IOwt. %。
3.根據權利要求1所述的一種Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷，其特征在于所述各原料的質 量要求為α -Al2O3粉體的純度大于95wt. %，粉料粒徑為d5(1 < 10 μ m ；B4C粉體的純度大于 91wt. %，粉料粒徑d5Q < 5 μ m ；金屬Ni粉的純度大于92wt. %，粉料粒徑為d5(1 < 50 μ m ；碳 源(炭黑、石墨、焦炭粉或酚醛樹脂等含碳材料)的質量要求為碳含量(或碳化反應后產物 中碳的含量)的百分比大于95wt. %，灰分不大于8%，揮發(fā)分不大于7%，硫含量小于2%， 水分不大于5%，粉料粒徑為d5(1 < 50 μ m。
4.根據權利要求1所述的一種Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷，其特征在于所述 Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷采用的結合劑可以為聚乙烯醇、樹脂、浙青或焦油等，均為市售工 業(yè)原料，其用法可以是分別單獨加入或者是它們的混合物加入，各結合劑之間的混合比例 沒有特殊要求，其加入后殘?zhí)苛繛?. 1 10. Owt %。
5.根據權利要求1所述的一種Al2O3-Ni-C-B4CM相陶瓷，所述的制備工藝過程依次為a)將α-Al2O3粉、B4C粉體、金屬Ni粉和碳源(炭黑、石墨、焦炭粉或酚醛樹脂)按一 定配比混合后加入球磨機中球磨0. 1 24h至各原料混合均勻，球磨的方式可以選用干法 球磨或濕法球磨，其中球磨介質可以選用金屬球、陶瓷球或瑪瑙球等，濕法球磨選用的球磨 液可以是水或無水乙醇等。然后將混合均勻的原料經過成型、干燥等工藝過程制成坯體，其 中成型工藝可以是干壓成型、半干壓成型或等靜壓成型，成型壓力約為100 300MPa。b)將上述干燥好的坯體置于耐高溫匣缽中進行燒成。首先在空匣缽底部鋪放1 20mm 的焦炭顆粒和焦炭粉，焦炭顆粒和焦炭粉的比例沒有要求，然后再鋪放1 20mm的氧化鋁 空心球，將粉料坯體至于氧化鋁空心球鋪層上，并用氧化鋁空心球將坯體覆蓋，最后在匣缽 最上層也鋪放焦炭顆粒和焦炭粉，將匣缽完全填滿后用耐高溫材料密封，然后將匣缽置于 高溫爐中進行燒成，其中熱工窯爐可以是電爐、馬弗式燃氣窯或燃煤窯或燃油窯、隧道窯、 管式爐、立式爐、電弧爐等。匣缽及其匣缽內的Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷坯體經過常溫至 2350°C的溫度范圍內燒成過程中升溫速度沒有特殊要求，在相應的溫度下可以分別保溫一 定時間，在最終燒成溫度下(1650 2350°C )保溫0. 5 24小時，然后自然冷卻至室溫并 去除掩埋的焦炭顆粒和細粉即可得到所述的Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷。本發(fā)明涉及的這種制備Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷的新方法具有生產成本低、制備工藝 方法簡單、產品性能好、易于成型等特點。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷及其制備方法，屬于超硬防護結構陶瓷材料的制備技術領域。其特征是采用α-Al2O3粉體、B4C粉體、金屬Ni粉和碳源(可以是炭黑、石墨、焦炭粉或酚醛樹脂等)為主要原料，以聚乙烯醇等為結合劑，將各原料按一定比例混合后再經過成型、干燥、燒成等工藝過程制備出Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷。所述的這種Al2O3-Ni-C-B4C復相陶瓷具有低密度、高硬度、高強度和高彈性模量等特點，該方法具有生產成本低、制備工藝方法簡單、產品性能好、易于成型等特點。
文檔編號C04B35/622GK101798222SQ20101011691
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月2日 優(yōu)先權日2010年3月2日
發(fā)明者劉艷改, 徐友果, 房明浩, 高遠飛, 黃宏, 黃朝暉 申請人:中國地質大學(北京)