本發(fā)明涉及一種tib2陶瓷塊體的快速制備方法，屬于功能防護材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

tib2的晶格結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，相互以共價鍵結(jié)合，是一種極為穩(wěn)定的超硬陶瓷材料，具有優(yōu)良的物理、化學及力學性能，如：高熔點(2980℃)、高硬度(34gpa)、耐腐蝕、良好的高溫性能、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性(20w·m·k～25w·m·k)以及相對較低的密度(4.5g/cm³)，其用途極其廣泛，幾乎涉及到國民經(jīng)濟的各個部門和現(xiàn)代技術(shù)的各個領(lǐng)域，對工業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)率的提高起著重要的推動作用。

目前，制備tib2陶瓷塊體主要有無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、自蔓延高溫合成法等。但是tib2中硼原子面和鈦原子面之間的ti-b離子鍵以及b-b共價鍵決定了這種材料的燒結(jié)性能較差，采用常規(guī)的燒結(jié)方法需要很高的燒結(jié)溫度和較長的燒結(jié)時間。以往研究表明，無壓燒結(jié)工藝很難獲得致密度大于95％以上的tib2陶瓷塊體。而熱壓燒結(jié)、自蔓延高溫合成雖然能得到致密度較高的陶瓷塊體，但是燒結(jié)所需溫度高(≥1800℃)，時間長(≥1h)。例如美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員采用熱壓工藝在1800℃條件下保溫2h，才獲得相對密度97％以上的tib2材料。

此外，傳統(tǒng)燒結(jié)耗時長所引起的晶粒粗化也會導(dǎo)致tib2陶瓷塊體的強度下降。國外學者sullggi和baik等人研究表明隨著晶粒的增大，tib2陶瓷中殘余應(yīng)力增加很快，導(dǎo)致大量的微裂紋生成，機械性能劣化。如何在避免晶粒異常長大的同時得到完全密實的tib2陶瓷燒結(jié)體是目前各國學者所關(guān)心的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種tib2陶瓷塊體的快速制備方法，所述方法采用放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)，通過添加少量al粉(0.5wt％～5wt％)，在燒結(jié)過程中充當助燒劑與填隙劑，實現(xiàn)tib2陶瓷塊體的快速可控低成本制備。本發(fā)明所提供的方法能降低燒結(jié)溫度(≤1750℃)，大大縮短燒結(jié)時間(≤30min)，提高致密度，改善材料力學性能，是未來復(fù)合防護材料中陶瓷材料的理想選擇。

本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實現(xiàn)。

一種tib2陶瓷塊體的快速制備方法，所述方法步驟如下：

(1)將tib2粉和al粉加入球磨罐中，混合均勻得到混合泥漿，干燥，得到混合粉末；

其中，tib2粉和al粉的質(zhì)量比為(19～199):1；

優(yōu)選所tib2粉的粒徑≤20μm；優(yōu)選al粉的粒徑≤80μm；

優(yōu)選所述球磨采用sm-qb行星式球磨機；

優(yōu)選球磨參數(shù)為：球磨介質(zhì)為無水乙醇；球料比為3:1；球磨機轉(zhuǎn)速為300r/min，球磨時間為0.5h～1h；

其中，優(yōu)選磨球由質(zhì)量比為1:1的大瑪瑙球和小瑪瑙球組成，大瑪瑙球的直徑為10mm，小瑪瑙球的直徑為5mm；

優(yōu)選所述干燥過程為：

先將球磨完成后的混合泥漿于70℃～80℃下進行真空干燥，待球磨介質(zhì)揮發(fā)完畢后，于30℃～80℃下干燥0.5h～1h；

優(yōu)選所述真空干燥采用真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，其轉(zhuǎn)速為40r/min～100r/min；

(2)采用放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)對所述混合粉末進行燒結(jié)處理，得到本發(fā)明所述tib2陶瓷塊體。

其中，燒結(jié)過程為：

在初始真空度<15pa，初始壓力為0.2mpa～1mpa下，以60℃/min～180℃/min的升溫速率進行升溫；當溫度升至600℃時，調(diào)節(jié)升溫速率為30℃/min以下；當溫度高于680℃，且燒結(jié)的混合粉末位移率變化量≤0.02mm/s時，調(diào)節(jié)升溫速率為50℃/min～120℃/min；當溫度高于1200℃～1700℃且真空度<15pa時，調(diào)節(jié)升溫速率為30℃/min～50℃/min，并同時加壓，待溫度升至1250℃～1750℃，壓力達5mpa～50mpa后，保溫保壓3min～15min；然后保持壓力不變，隨爐冷卻至900℃以下，卸除壓力，隨爐冷卻至100℃以下。

有益效果

1.本發(fā)明提供了一種tib2陶瓷塊體的快速制備方法，所述方法選用tib2粉和al粉的混合粉末為原料，采用放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)進行燒結(jié)，電場會在燒結(jié)過程中清潔和活化所述混合粉末的顆粒表面，使混合粉末致密化過程在較低的燒結(jié)溫度下進行(1250℃～1750℃)，大大縮短燒結(jié)時間(≤30min)，燒結(jié)得到的tib2陶瓷塊體致密度高(致密度可高達99.7％)，硬度高(高達32.8gpa)，綜合性能良好，可應(yīng)用于防護材料領(lǐng)域；

2.本發(fā)明提供了一種tib2陶瓷塊體的快速制備方法，所述方法簡單易行，周期短，實用性強，有利于工業(yè)化。

附圖說明

圖1為實施例1～4中制備的tib2陶瓷塊體的厚度與致密度值。

圖2為實施例1～4中制備的tib2陶瓷塊體的維氏硬度值。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作詳細的闡述。

以下實施例中所述tib2粉由丹東日進科技有限公司生產(chǎn)，其平均粒徑為3μm，純度為99.8％。

所述al粉由河南遠洋鋁業(yè)有限公司生產(chǎn)，平均粒徑為20μm，純度為99.5％；其各組分及質(zhì)量分數(shù)(wt％)如表2所示：

表2

所述無水乙醇由北京市通廣精細化工公司生產(chǎn)。

所述維氏硬度的測量采用leco公司生產(chǎn)的lm700at顯微硬度測試儀。

所述實際密度根據(jù)國標gb/t1423-1996《貴金屬及其合金密度的測試方法》中規(guī)定的方法進行。

所述致密度d的計算公式為：d＝ρ實際/ρ理論×100％，其中，ρ實際表示實際密度，ρ理論表示理論密度。

實施例1

一種tib2陶瓷塊體的快速制備方法，所述方法步驟如下：

(1)將99.5gtib2粉和0.5gal粉加入sm-qb行星式球磨機的球磨罐中，并按球料比3:1加入磨球和過量的無水乙醇；在300r/min的轉(zhuǎn)速下，球磨0.5h，混合均勻得到混合泥漿；將所述混合泥漿倒入真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，在轉(zhuǎn)速為100r/min、水浴溫度為80℃條件下轉(zhuǎn)蒸0.5h，得到混合粉末前體；將混合粉末前體放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，于60℃下干燥1h，得到混合粉末。

其中，磨球由質(zhì)量比為1:1的大瑪瑙球和小瑪瑙球組成，大瑪瑙球的直徑為10mm，小瑪瑙球的直徑為5mm。

(2)將100g混合粉末放入內(nèi)徑為60mm的石墨模具中，再用石棉氈包裹石墨模具，放入放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)中，設(shè)置爐腔內(nèi)初始真空度<15pa，初始壓力為0.2mpa，以60℃/min的升溫速率進行升溫，當溫度升至600℃時，調(diào)節(jié)升溫速率為30℃/min；當溫度高于680℃且燒結(jié)的混合粉末位移率變化量≤0.02mm/s時，調(diào)節(jié)升溫速率為50℃/min；當溫度高于1700℃、且真空度<15pa時，調(diào)節(jié)升溫速率為30℃/min，并同時加壓，待溫度升至1750℃，壓力達5mpa后，保溫保壓15min；然后先保持壓力不變，隨爐冷卻至900℃以下，卸除壓力，再隨爐冷卻至100℃以下，取出燒結(jié)后的陶瓷塊體，使用乙醇和去離子水清洗陶瓷的表面，得到一種tib2陶瓷塊體。

如圖1所示，tib2陶瓷塊體的厚度為7.96mm，致密度為98.9％；如圖2所示，對所述tib2陶瓷塊體維氏硬度測量，300gf的試驗力下，保持10s，得到維氏硬度值為32.8gpa。

實施例2

一種tib2陶瓷塊體的快速制備方法，所述方法步驟如下：

(1)將95gtib2粉和5gal粉加入sm-qb行星式球磨機的球磨罐中，并按球料比3:1加入磨球和過量的無水乙醇；在300r/min的轉(zhuǎn)速下，球磨1h，混合均勻得到混合泥漿；將所述混合泥漿倒入真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，在轉(zhuǎn)速為40r/min、水浴溫度為80℃條件下轉(zhuǎn)蒸0.5h，得到混合粉末前體；將混合粉末前體放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，于30℃下干燥0.5h，得到混合粉末。

其中，磨球由質(zhì)量比為1:1的大瑪瑙球和小瑪瑙球組成，大瑪瑙球的直徑為10mm，小瑪瑙球的直徑為5mm。

(2)將100g混合粉末放入內(nèi)徑為60mm的石墨模具中，再用石棉氈包裹石墨模具，放入放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)中，設(shè)置爐腔內(nèi)初始真空度<15pa，初始壓力為1mpa，先以180℃/min的升溫速率進行升溫，當溫度升至600℃時，調(diào)節(jié)升溫速率為20℃/min；當溫度高于680℃，且燒結(jié)的混合粉末位移率變化量≤0.02mm/s時，調(diào)節(jié)升溫速率為120℃/min；當溫度高于1200℃、且真空度<15pa時，調(diào)節(jié)升溫速率為50℃/min，并同時加壓，待溫度升至1250℃，壓力達50mpa后，保溫保壓3min；然后先保持壓力不變，隨爐冷卻至900℃以下，卸除壓力，再隨爐冷卻至100℃以下，取出燒結(jié)后的陶瓷塊體，使用乙醇和去離子水清洗陶瓷的表面，得到一種tib2陶瓷塊體。

如圖1所示，tib2陶瓷塊體的厚度為8.13mm，致密度為99.7％；如圖2所示，對所述tib2陶瓷塊體維氏硬度測量，300gf的試驗力下，保持10s，得到維氏硬度值為31.3gpa。

實施例3

一種tib2陶瓷塊體的快速制備方法，所述方法步驟如下：

(1)將398gtib2粉和2gal粉加入sm-qb行星式球磨機的球磨罐中，并按球料比3:1加入磨球和過量的無水乙醇；在300r/min的轉(zhuǎn)速下，球磨0.5h，混合均勻得到混合泥漿；將所述混合泥漿倒入真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，在轉(zhuǎn)速為100r/min、水浴溫度為80℃條件下轉(zhuǎn)蒸0.5h，得到混合粉末前體；將混合粉末前體放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，于60℃下干燥1h，得到混合粉末。

其中，磨球由質(zhì)量比為1:1的大瑪瑙球和小瑪瑙球組成，大瑪瑙球的直徑為10mm，小瑪瑙球的直徑為5mm。

(2)將400g混合粉末放入內(nèi)徑為60mm的石墨模具中，再用石棉氈包裹石墨模具，放入放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)中，設(shè)置爐腔內(nèi)初始真空度<15pa，初始壓力為0.2mpa，先以60℃/min的升溫速率進行升溫，當溫度升至600℃時，調(diào)節(jié)升溫速率為30℃/min；當溫度高于680℃，且燒結(jié)的混合粉末位移率變化量≤0.02mm/s時，調(diào)節(jié)升溫速率為50℃/min；當溫度高于1700℃且真空度<15pa時，調(diào)節(jié)升溫速率為30℃/min，并同時加壓，待溫度升至1750℃，壓力達5mpa后，保溫保壓15min；然后先保持壓力不變，隨爐冷卻至900℃以下，卸除壓力，再隨爐冷卻至100℃以下，取出燒結(jié)后的陶瓷塊體，使用乙醇和去離子水清洗陶瓷的表面，得到一種tib2陶瓷塊體。

如圖1所示，tib2陶瓷塊體的厚度為32.03mm，致密度為98.3％；如圖2所示，對所述tib2陶瓷塊體維氏硬度測量，300gf的試驗力下，保持10s，得到維氏硬度值為31.1gpa。

實施例4

一種tib2陶瓷塊體的快速制備方法，所述方法步驟如下：

(1)將380gtib2粉和20gal粉加入sm-qb行星式球磨機的球磨罐中，并按球料比3:1加入磨球和過量的無水乙醇；在300r/min的轉(zhuǎn)速下，球磨1h，混合均勻得到混合泥漿；將所述混合泥漿倒入真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，在轉(zhuǎn)速為40r/min、水浴溫度為80℃條件下轉(zhuǎn)蒸0.5h，得到混合粉末前體；將混合粉末前體放入電熱恒溫鼓風干燥箱中，于30℃下干燥0.5h，得到混合粉末。

其中，磨球由質(zhì)量比為1:1的大瑪瑙球和小瑪瑙球組成，大瑪瑙球的直徑為10mm，小瑪瑙球的直徑為5mm。

(2)將400g混合粉末放入內(nèi)徑為60mm的石墨模具中，再用石棉氈包裹石墨模具，放入放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)中，設(shè)置爐腔內(nèi)初始真空度<15pa，初始壓力為1mpa，先以180℃/min的升溫速率進行升溫，當溫度升至600℃時，調(diào)節(jié)升溫速率為20℃/min；當溫度高于680℃，且燒結(jié)的混合粉末位移率變化量≤0.02mm/s時，調(diào)節(jié)升溫速率為120℃/min；當溫度高于1200℃且真空度<15pa時，調(diào)節(jié)升溫速率為50℃/min，并同時加壓，待溫度升至1250℃，壓力達50mpa后，保溫保壓3min；然后先保持壓力不變，隨爐冷卻至900℃以下，卸除壓力，再隨爐冷卻至100℃以下，取出燒結(jié)后的陶瓷塊體，使用乙醇和去離子水清洗陶瓷的表面，得到一種tib2陶瓷塊體。

如圖1所示，tib2陶瓷塊體的厚度為32.93mm，致密度為98.5％；如圖2所示，對所述tib2陶瓷塊體維氏硬度測量，300gf的試驗力下，保持10s，得到維氏硬度值為30.4gpa。

本發(fā)明包括但不限于以上實施例，凡是在本發(fā)明精神的原則之下進行的任何等同替換或局部改進，都將視為在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。