基于粗顆粒粉體的無壓燒結(jié)碳化硼陶瓷制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種以粗顆粒碳化硼粉體為原料，無壓燒結(jié)工藝制備低成本碳化硼陶瓷的方法，屬于結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硼陶瓷因具有低密度、高硬度(僅次于金剛石和立方氮化硼)、高彈性模量、耐腐蝕、耐磨損和吸收中子以及高溫半導(dǎo)體特性，被用作中子吸收材料、防彈材料、耐磨噴嘴、半導(dǎo)體精密結(jié)構(gòu)部件等，在核能、國防和機械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
[0003]碳化硼陶瓷共價鍵分?jǐn)?shù)大于90%以上，自擴散系數(shù)非常低，氣孔的消除、晶界和體積擴散的傳質(zhì)機制需要極高的溫度，單純的碳化硼陶瓷燒結(jié)極其困難。目前，已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的高性能碳化硼陶瓷的制備方法主要有熱壓燒結(jié)和無壓燒結(jié)兩種工藝。熱壓工藝是在燒結(jié)的同時對碳化硼燒結(jié)體施加一定的壓力，促進碳化硼陶瓷的致密化，但熱壓工藝單爐產(chǎn)量有限，而且只能制備尺寸較小、形狀較為簡單的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，因此熱壓碳化硼綜合成本十分高昂。無壓燒結(jié)工藝優(yōu)點是適合規(guī)?；a(chǎn)，可以制備大尺寸、復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)部件，由于工藝限制，目前無壓燒結(jié)碳化硼多采用2微米以下超細粉體作為原料，從而提高碳化硼陶瓷的燒結(jié)活性，獲得致密化的燒結(jié)體，但微米級碳化硼超細粉體研磨處理工藝復(fù)雜，價格較高，因此，雖然無壓燒結(jié)碳化硼陶瓷比熱壓產(chǎn)品價格有所降低，但相比其他碳化物結(jié)構(gòu)陶瓷價格仍然昂貴。
[0004]碳化硼陶瓷較高的價格成為限制其大規(guī)模推廣應(yīng)用的最大障礙。因此，在保證碳化硼陶瓷致密度和燒結(jié)性能的前提下，降低碳化硼陶瓷制造成本成為亟待解決的關(guān)鍵難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對碳化硼陶瓷價格昂貴的技術(shù)現(xiàn)狀，以價格低廉的2微米以上粗顆粒碳化硼粉體為原料，采用無壓燒結(jié)工藝，同時添加固相和液相燒結(jié)助劑，通過固-液相助劑協(xié)同燒結(jié)機制，實現(xiàn)碳化硼陶瓷的晶粒生長控制、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控和最終的致密化，從而為無壓燒結(jié)碳化硼陶瓷的低成本化制造奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種基于粗顆粒粉體的無壓燒結(jié)碳化硼陶瓷制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)將各種原料放入混料容器中，所述的各種原料包括以下重量百分比的各組分:碳化硼粉70?80wt %，碳粉4?8wt %，氧化紀(jì)粉0.7?2wt %，余量的粘結(jié)劑和分散劑，然后加入去離子水球磨制漿，所得的漿料的固相含量為25?45wt% ；
[0008](2)將步驟(I)所得漿料，利用噴霧干燥造粒工藝制得造粒粉體，具體為:
[0009]采用料漿泵將步驟(I)中制備的漿料送入噴霧干燥造粒機的造粒噴頭中霧化，漿料泵輸送漿料的壓力為0.02?0.4Mpa ；
[0010]或者利用蠕動泵將漿料送入噴霧干燥造粒機的離心轉(zhuǎn)盤噴頭中形成微小霧滴，離心轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為2000?20000轉(zhuǎn)/分鐘，噴霧干燥造粒機的進口溫度為120?250°C，出口溫度 80 ?150? ；
[0011](3)將步驟(2)所制得的造粒粉采用干壓法成型或冷等靜壓成型工藝壓制成生坯，成型壓力為100?200MPa ；
[0012](4)將步驟(3)所制得的生坯放入高溫真空燒結(jié)爐內(nèi)，采用無壓燒結(jié)工藝進行燒結(jié)。具體為:
[0013]1600°C以前控制爐內(nèi)真空度為10?600Pa，1600°C通入惰性保護氣體；或加熱前通入惰性保護氣體至常壓，
[0014]隨后在2000?2300°C溫度下保溫0.5?5h完成燒結(jié)得到碳化硼陶瓷。
[0015]本發(fā)明上述步驟(I)中的制漿設(shè)備為立式或臥式球磨機等常規(guī)混料設(shè)備。
[0016]本發(fā)明上述步驟(I)中的球磨制楽，通過控制球料比、球磨機轉(zhuǎn)速、球磨混料時間，制得適合于噴霧干燥造粒的漿料，具體為采用樹脂、氧化鋯或氧化鋁作為球磨時的介質(zhì)球，球徑為I?10mm，球料比介質(zhì)球的重量與碳化硼、碳粉、氧化釔粉三種原料重量之和的比值為(0.5?5):1，混料時間為I?24h，漿料pH值為4?10，球磨機轉(zhuǎn)速為50?200轉(zhuǎn)/分鐘。
[0017]本發(fā)明上述的碳化硼粉的純度彡95%，粒徑為D50 ^ 2μπι?
[0018]本發(fā)明上述的碳粉為水溶性色素碳黑，粒徑為5?200nm。
[0019]本發(fā)明上述的氧化紀(jì)粉為純度彡95%，粒徑為10nm?2 μπι。
[0020]本發(fā)明上述步驟⑴中的原料還可以包括粘結(jié)劑15?25wt%，分散劑0.5?2wt%。加入粘結(jié)劑和分散劑后，步驟(I)中的各原料配比為:碳化硼粉70?80wt%，碳粉4?8wt %，氧化?乙粉0.7?2wt %，粘結(jié)劑15?25wt %，分散劑0.5?2wt % ;球磨混料前加入一定量的去離子水，使得所得漿料的固相含量為25?45wt%。
[0021]本發(fā)明上述步驟(I)中加入去離子水后固相含量為25?45wt%，其固相含量是指原料中碳化硼粉、氧化釔粉、碳粉形成的固態(tài)成分總重量。
[0022]本發(fā)明上述的粘結(jié)劑可采用酚醛樹脂、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛、甲基纖維素中的一種或一種以上。
[0023]本發(fā)明上述的分散劑為聚丙烯酸銨、檸檬酸銨、四甲基氫氧化銨中的一種或一種以上。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果:
[0025]1.本發(fā)明突破了傳統(tǒng)無壓燒結(jié)碳化硼陶瓷只能采用2微米以下超細粉體作為原料的技術(shù)局限，采用比微米級超細碳化硼粉體價格便宜近一半的2微米以上粗顆粒碳化硼粉體為原料，結(jié)合無壓燒結(jié)工藝，可以大大降低碳化硼陶瓷的制造成本。本發(fā)明的制備方法成本低廉，適宜規(guī)模化生產(chǎn)，采用本發(fā)明制備的碳化硼陶瓷可用于核電中子吸收材料、裝甲防護陶瓷、半導(dǎo)體精密部件等。本發(fā)明是降低碳化硼陶瓷制造成本的關(guān)鍵性突破，對于促進高性能碳化硼陶瓷的大規(guī)模推廣應(yīng)用具有重要意義。
[0026]2.針對2微米以上粗顆粒碳化硼粉體比微米級超細粉體更難以燒結(jié)致密化的技術(shù)難點，本發(fā)明在配方中加入了氧化釔和碳粉兩種燒結(jié)助劑，通過固-液相協(xié)同燒結(jié)機制，既可以利用碳元素對碳化硼表面的除氧作用，提高粗顆粒碳化硼粉體的燒結(jié)活性，又能夠發(fā)揮金屬氧化物的液相燒結(jié)機制，降低擴散勢皇，加快傳質(zhì)過程，提高燒結(jié)致密度。本發(fā)明制備的碳化硼陶瓷密度達到2.40g/cm3，致密度可以達到96%以上，具有良好的力學(xué)性能。
【具體實施方式】
[0027]下面通過具體實施例進一步詳細描述本發(fā)明，但本發(fā)明不僅僅局限于以下實施例。
[0028]本發(fā)明下述實施例中的原料為市售產(chǎn)品，設(shè)備為行業(yè)常規(guī)設(shè)備。
[0029]實施例1:
[0030]將碳化硼粉900克(D50多2 μπι)、碳粉65克、氧化釔粉10克、去離子水2600克，加入球磨機混料容器中，加入240g酚醛樹脂、10克聚乙烯醇和20克分散劑(聚丙烯酸銨)進行球磨制漿。控制球磨混料時間、球磨機轉(zhuǎn)速、球料比，制得適合噴霧干燥造粒的漿料，具體為:采用聚氨酯球作為球磨時的介質(zhì)球，球直徑為10_，球料比即介質(zhì)球的重量與碳化硼、碳粉、氧化釔三種原料之和的比值為3:1，球磨混料時間為12小時，漿料pH值為8?10，球磨機轉(zhuǎn)速為80轉(zhuǎn)/分鐘。然后，經(jīng)過噴霧造粒得到造粒粉，具體為:將漿料過300目篩后，用蠕動泵將漿料送入噴霧干燥造粒機的離心轉(zhuǎn)盤噴