[发明专利]一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法，属于超硬陶瓷材料技术领域。本申请解决了现有过渡金属碳化物和硼化物之间具有较低的固溶度，很难制备得到过渡金属碳硼化物的问题。本发明采用高能球磨的方式，将过渡金属碳化物、硼化物制成复合粉体，然后采用放电等离子烧结或者热压烧结的方式制备得到超硬碳硼化物陶瓷烧结体。本方法利用高能球磨能够拓宽碳化物在硼化物中的固溶度极限，解决了过渡金属碳化物和硼化物之间具有较低的固溶度的问题，且球磨后的复合粉体之间的固溶强化作用使得烧结体强度和硬度得到明显提升；同时高能球磨使粉体粒径细化，可以有效地降低烧结温度。

技术领域

本发明涉及一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法，属于超硬陶瓷材料技术领域。

背景技术

超硬材料在磨料、切削刀具、耐磨涂层等方面有着广泛的应用。近年来开始研究的防弹装甲陶瓷对材料的硬度也有很高的要求。自然界已知最硬的材料是金刚石，但金刚石价格昂贵，且很难加工成复杂形状。常见的陶瓷材料中，立方氮化硼(c-BN)硬度最高，超过50GPa。碳化硼(B₄C)及其复合材料也具有很高的硬度，一般能够超过30GPa。但是c-BN和B₄C属于强共价键化合物，烧结过程中自扩散系数很低，材料难以烧结成型。此外，c-BN和B₄C材料的韧性较差，一般低于3MPa·m^1/2，限制了其应用。

过渡金属硼化物(如TiB₂，ZrB₂，HfB₂等)硬度低于c-BN和B₄C，但也能达到20GPa以上。且单相硼化物中添加碳化物作为除氧剂可以降低材料烧结温度，促进致密化。但是TiB₂，ZrB₂，HfB₂等硼化物晶体结构都呈六方结构，而过渡金属碳化物晶体结构为NaCl型面心立方结构，两者在通常情况下很难固溶形成单相的碳硼化物固溶体陶瓷材料。因此，提供一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法是十分必要的。

发明内容

本发明为了解决现有过渡金属碳化物和硼化物之间具有较低的固溶度，很难制备得到过渡金属碳硼化物的问题，提供一种超硬单相的碳硼化物四元固溶体陶瓷材料的制备方法。

本发明的技术方案：

一种单相碳硼化物固溶体陶瓷材料的制备方法：

步骤一，将含硼化物粉体和含碳化物粉体混合，并利用高能球磨机球磨，得到复合粉体；

步骤二，将步骤一球磨后的复合粉体置于模具中烧结，得到单相碳硼化物固溶体陶瓷材料。

优选的：所述的含硼化物为硼化钛、硼化锆、硼化铪、硼化铌、硼化坦、硼化钨或硼化钼。

最优选的：所述的含碳化物为碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化铌、碳化坦、碳化钨或碳化钼。

最优选的：所述的含硼化物中的金属元素与含碳化物中的金属元素为不同种类的金属元素。

优选的：所述的复合粉体中含硼化物粉体的质量百分数为70％～99％，含碳化物粉体的质量百分数为1％～30％。

优选的：所述的步骤一利用高能球磨机球磨的条件为：球料比为10～100:1，转速为400r/min～800r/min，球磨为5h～40h。

优选的：所述的步骤二烧结为在放电等离子体炉中进行，烧结条件为：烧结温度1800℃～2300℃，保温时间5min～60min，烧结压力30MPa～80MPa，升温速率50℃/min～150℃/min。

优选的：所述的步骤二烧结为在热压炉中进行，烧结条件为：烧结温度1800℃～2300℃，保温时间0.5h～10h，烧结压力30MPa～80MPa，升温速率10℃/min～40℃/min。