[发明专利]碳化硼陶瓷纤维

说明书

相关申请的交叉参考

本申请主张2008年6月18日提交的美国临时专利申请61/073,468 的权益，所述申请的内容通过参考以其完整的形式并入本文中。

技术领域

本文中所述的主旨总体涉及陶瓷纤维，更具体地涉及金属碳化物 陶瓷纤维，包括碳化硼陶瓷纤维，以及制造这些纤维的改良方法。

发明背景

碳化硼(B₄C)是已知的最硬的材料之一，排在金刚石和立方氮化硼 之后而列第三。其是大量生产的材料(即以吨计的量生产的材料)中最硬 的材料。

碳化硼可以用于广泛多样的用途中，包括冲击用途和磨料用途。 例如，碳化硼是国防部选择用于冲击用途如防弹衣的材料。另外，可 以将碳化硼材料用于战区中的军事和商业车辆中以免遭到简易爆炸装 置无处不在的威胁。碳化硼材料可以帮助未来军事战斗车辆和飞行器 提高生存性和活动性。然而，碳化硼材料唯一的致命弱点在于，制备 碳化硼的常规手段具有几个缺点。

碳化硼粉末的商业制造可通过几种方法完成。通过碳热还原反应 或通过气相反应，在高温下的电弧炉中将碳与氧化硼(B₂O₃)进行反应， 可以制造碳化硼粉末。所述方法强烈吸热。起始材料可以是氧化硼与 石油焦的紧密混合物。除了碳化硼粉末之外，还产生大量一氧化碳。 关于商业用途，碳化硼(B₄C)粉末通常需要进行研磨和提纯以除去金属 杂质。

碳化硼粉末的另一种制造方法是利用存在的镁对硼进行还原。这 种方法高度吸热且典型地在1000～1200℃下发生。

常规的碳化硼部件可通过热压、烧结和烧结体-热等静压(HIPing) 来制造。工业上，通过在惰性气氛如氩气中对碳化硼粉末进行热压(例 如2100～2200℃，30～40Mpa)来实施致密化。这种商业方法(即热压) 将碳化硼粉末在大的冲模之间挤压在一起，同时加热至高温，并制得 具有高达理论密度98.1%的相对密度的材料。可以使用的其他材料包 括：Al、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mg、BN、MgO、Al₂O₃等。热压 典型地用于制造简单形状。当利用助烧结添加剂对纯的细粉末进行致 密化时，可获得改进的性能。

典型的烧成方法包含两步加热周期：粘合剂烧尽(或烧掉)和烧结。 第一加热周期，粘合剂烧尽，典型地在相对低温(500～600℃)下发生且 用于除去粘合剂。这典型地包括将充当粘合剂的纤维素烧尽或除去。 例如，将氢和氧除去并产生一氧化碳。这样，不会剩余或很少剩余游 离碳。第二加热步骤包括在非常、非常高的加热周期(约2200℃)下进行 烧结。烧结基本上将全部颗粒熔合在一起而制备单一的固体部件。

还存在修改的碳化硼形成方法。例如，无压烧结法。该无压烧结 法(例如2000～2200℃)可提高密度，因此可提高碳化硼的冲击性能。利 用带有添加剂(例如原位碳（in-situ carbon）、氧化铝)的超细粉末，可 无压烧结至高密度。无压烧结法获得92～97%的理论密度(D_th)。

关于更多需求的用途，在受控气氛(例如Ar、He气)中于高温和高 压(例如1700℃，200Mpa)下通过流体静力挤压作用，可以使用后烧结 热等静压(HIPing)将相对密度提高至99%(D_th)。

用于形成常规碳化硼材料的碳化硼粉末具有在烧结期间性能差的 名声，所述烧结期间是一种高温过程，其中粒子合并而不熔化，从而 以固体状态消除它们之间的孔。烧结差可制得更易断裂的更加多孔的 材料。由于在烧结中难以获得高密度，所以制造金属碳化物陶瓷如碳 化硼(B₄C)陶瓷非常困难。

这些制造困难大大增加了由这些材料制造纤维的难度。在尝试制 造碳化硼纤维中可能会遇到的示例性困难包括：纺丝和材料与所使用 的纤维制造方法的相容性；纤维的碳化和化学反应的控制；以化学计 量的方式生产碳化硼和组成的控制；为了生产高密度碳化硼纤维而进 行的烧结研究；以及扩大规模生产等。

另外存在可选择的实验室路线，包括CVD、晶体生长等。这些路 线典型地成本高、产量低且缓慢。