[发明专利]一种高强韧碳化硼-硼化钛-石墨烯复合陶瓷及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高强韧碳化硼‑硼化钛‑石墨烯复合陶瓷及其制备方法，所述高强韧碳化硼‑硼化钛‑石墨烯复合陶瓷中石墨烯和硼化钛在碳化硼基体中均匀分布，石墨烯占复合陶瓷的0.5～6wt％，硼化钛占复合陶瓷的9.5～24wt％。该复合陶瓷性能指标如下：相对密度高达98.67～99.43％，维氏硬度高达31.87～32.56GPa，弯曲强度高达485～593MPa，断裂韧性高达4.65～8.19MPa·m^1/2，电导率高达4.37×10⁵～7.14×10⁵S/m，优异的综合性能使得其在汽车发动机、耐热部件及耐磨部件方面均具有广泛应用前景。

技术领域

本发明属于以硼化物、氮化物或硅化物为基料的陶瓷技术领域，具体涉及一种高强韧碳化硼-硼化钛-石墨烯复合陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硼陶瓷材料具有低密度、高硬度、高熔点、高弹性模量、低热膨胀系数、高热导率，优异的耐摩擦性能、高中子吸收能力及抗化学腐蚀能力等特点，在高温结构材料、防弹装甲材料、耐磨材料、原子反应堆控制及屏蔽材料、热电材料以及航空航天材料等领域发挥了十分重要的作用。然而，碳化硼共价键含量高达90％，烧结十分困难，另外，碳化硼陶瓷断裂韧性低(2.2MPa·m^1/2)且难以加工等缺点极大地限制其更加广泛地应用。如何制备出具有高弯曲强度、高断裂韧性且易加工的碳化硼陶瓷是目前急需解决的关键问题。

通过引入添加剂来降低碳化硼烧结温度提高材料性能是目前克服这些缺点的有效途径。传统的陶瓷材料通常采用零维的陶瓷颗粒、一维的碳纳米管作为增韧相，但是零维颗粒增韧的效果有限，一维碳纳米管的分散较困难。相比于陶瓷颗粒、碳纤维、碳纳米管等惯用的增强体，二维石墨烯具有弹性模量高、热导率及电导率高等优势。这些优异的性能使其成为高性能陶瓷基复合材料增强的理想材料。但是，石墨烯也容易团聚，且增强效果有限，难以保证碳化硼陶瓷在韧化的同时获得高的强度。

目前采用石墨烯添加剂增韧陶瓷已有相关报道，例如等人利用碳化硼、石墨烯原料粉体制备碳化硼复合陶瓷材料，该方法制备的陶瓷材料中存在石墨烯团聚的现象，所得陶瓷材料的断裂韧性达5.89MPa·m^1/2，但弯曲强度仅为398MPa。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种高强韧碳化硼-硼化钛-石墨烯复合陶瓷及其制备方法，该复合陶瓷中石墨烯和硼化钛颗粒均匀地分布在碳化硼基体中并相互连接成网状结构，复合陶瓷弯曲强度及断裂韧性高，导电性好，具有良好的加工性能。

根据本申请的一个方面，本申请提供了一种高强韧碳化硼-硼化钛-石墨烯复合陶瓷，石墨烯和硼化钛在碳化硼基体中均匀分布，石墨烯占复合陶瓷的0.5～6wt％，硼化钛占复合陶瓷的9.5～24wt％。

按上述方案，所述石墨烯厚度为1～10nm，片径(直径)为2～10μm。

按上述方案，所述复合陶瓷相对密度为98.67～99.43％，维氏硬度为31.87～32.56GPa，弯曲强度为485～593MPa，断裂韧性为4.65～8.19MPa·m^1/2，电导率为4.37×10⁵～7.14×10⁵S/m。

根据本申请的第二个方面，本申请提供了上述高强韧碳化硼-硼化钛-石墨烯复合陶瓷的制备方法，具体步骤如下：

1)按质量百分配比称取原料：石墨烯0.5～6％，硼化钛粉体9.5～24％，余量为碳化硼粉体；

2)制备石墨烯分散液：将石墨烯粉体加入无水乙醇中，超声分散1～2h，得到分散均匀的石墨烯分散液；

3)制备碳化硼-硼化钛-石墨烯混合粉体：将碳化硼粉体、硼化钛粉体加入步骤2)所得石墨烯分散液中，边机械搅拌边超声分散，得到碳化硼-硼化钛-石墨烯混合液；