一种注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料及其制备方法，该复合陶瓷材料，由以下质量百分比的原料成分经混料、混炼、注射、脱脂、烧结而成：碳化硼45～60％，碳化硅15～30％，炭粉1～5％，表面活性剂1～3％，分散剂0～2％，润滑剂6～15％，粘结剂4～12％；各成分用量之和为100％。本发明专利技术制得的反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料显气孔率低于0.30％，弯曲强度在300MPa以上，硬度大于3.04GPa，断裂韧性大于4.27MPa·m1/2。

Injection molding reaction sintering B4C/SiC composite ceramic material and preparation method thereof

The present invention relates to an injection molding sintering of B4C/SiC ceramic composite material and a preparation method of the composite ceramic materials, the mass percent from the raw ingredients through mixing, mixing, injection, debinding and sintering of boron carbide: 45 ~ 60%, 15 ~ 30% of silicon carbide, carbon powder from 1 to 5%, surface activity agent 1 ~ 3%, 0 ~ 2% lubricant dispersant, 6 ~ 15%, 4 ~ 12% binder components; the amount of the sum of 100%. The prepared B4C/SiC composite ceramic material has the obvious porosity of less than 0.30%, the bending strength is above 300MPa, the hardness is greater than 3.04GPa, and the fracture toughness is greater than 4.27MPa / m1/2.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料及其制备方法，属于陶瓷注射成型领域。
技术介绍
碳化硼(B4C)是一种硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的材料，具有高熔点、高耐磨、低密度(ρv＝2.52g/cm3)、极好的化学稳定性和优异的中子吸收能力，现已被国内外广泛应用在化工、核电站、航天和医学等领域。但由于其存在韧性低、强度差、难以致密化烧结等缺点，严重阻碍了碳化硼陶瓷在某些特殊工程的应用。可通过引入高强度、高韧性的碳化硅材料，结合反应烧结制备，以提高其韧性、强度及改善致密化。目前，常用的陶瓷成型工艺主要有压制成型、注浆成型和注塑成型等，其中，压制成型的加压方向只限于轴向，坯体结构具有明显的各向异性，仅适用于制备圆形、薄片等形状简单的小部件；利用注浆成型制备的坯体，尺寸控制精度低，且生产周期长、效率低，不利于机械化与自动化；而注射成型作为一种近净尺寸的成型技术，是具有成型制品精度高，生坯密度均匀，生坯强度高，烧结体性能优异且产品质量的一致性好，自动化程度高，可成型各种复杂形状的陶瓷零部件，弥补了压制成型无法生产复杂形状部件，以及注浆成型不适于大规模生产的不足。在B4C/SiC复合材料及陶瓷注射成型领域，已有一些专利和报道。国内的主要报道有：1、中国专利文件CN103508734A(申请号：201310441997.X)公开了一种制备碳化硼/碳化硅复合陶瓷的制备工艺，制备出具有密度小、防弹性能好、性价比高等优势的防弹材料。2、中国专利文件CN104817325A(申请号：201510256908.3)公开了一种反应烧结碳化硼-碳化硅复合陶瓷材料的制备方法，采用干压成型、反应烧结，制成的碳化硼-碳化硅复合陶瓷材料能满足核工业乏废料的热中子屏蔽性能要求。3、中国专利文件CN101618568A(申请号：200910078580.5)公开了一种超细陶瓷粉体注射成型混合料的制备方法，采用水脱脂注射料，脱脂速率快，坯形状保持性好，避免了开裂和鼓泡等缺陷。4、中国专利文件CN104446490A(申请号：201410649737.6)公开了一种注射成型反应烧结SiC陶瓷材料及其制备方法，利用注射成型工艺，制备出体积密度大于2.7g/cm3，弯曲强度大于260MPa的反应烧结碳化硅。丁硕等[丁硕,温广武,雷廷权.碳化硼材料研究进展[J].材料科学与工艺,2003,11(1):101-105.]指出碳化硼烧结的主要难点在于难以致密化及韧性低，而在常压下于2300℃烧结，通常仅能获得低于80％的相对密度，且制品力学性能低、难以成型复杂形状的零部件。目前，国内尚未有注射成型制备反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料的专利和文献报道。
技术实现思路
针对现有B4C/SiC复合陶瓷材料成型技术的不足，本专利技术提供一种注射成型反应烧结B4C/SiC陶瓷材料及其制备方法，该方法成型周期短，机械自动化强度高，所制得的反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料致密度高、均匀性好、尺寸精确度高，可以满足医疗器械、核电站等对尺寸精度要求较高的场合的应用要求。术语说明D50：也叫中位径或中值粒径，用来表示粉体的平均粒径。本专利技术的技术方案如下：一种注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料，由以下质量百分比的原料成分经混料、混炼、注射、脱脂、烧结而成：碳化硼45～60％，碳化硅15～30％，炭粉1～5％，表面活性剂1～3％，分散剂0～2％，润滑剂6～15％，粘结剂4～12％；各成分用量之和为100％。根据本专利技术，优选的，所述的B4C/SiC复合陶瓷材料，由以下质量百分比的原料成分经混料、混炼、注射、脱脂、烧结而成：碳化硼50～55％，碳化硅20～25％，炭粉1～2％，表面活性剂1～2％，分散剂1～2％，润滑剂9～12％，粘结剂6～10％；各成分用量之和为100％。根据本专利技术，优选的，所述的碳化硼为平均粒径3～50μm的碳化硼微粉；进一步优选的，所述的碳化硼为由平均粒径8～10μm的碳化硼微粉和平均粒径30～35μm的碳化硼微粉按质量比(3～4):2混合的碳化硼微粉；优选的，所述的碳化硅为平均粒径1～50μm的碳化硅微粉；进一步优选的，所述的碳化硅为由平均粒径2～4μm的碳化硅微粉和平均粒径35～50μm的碳化硅微粉按质量比(3～4):2混合的碳化硅微粉。这种不同粒径级配的陶瓷微分有利于形成较多的毛细管孔道，便于在反应烧结过程中Si的均匀渗进。根据本专利技术，优选的，所述的炭粉为平均粒径1～2μm的炭粉，与部分有机添加剂热分解产物一起作为反应烧结的碳源，其含量控制在3～6％，过多的炭粉含量会使烧结后陶瓷残留炭，降低陶瓷的强度、韧性等。根据本专利技术，优选的，所述的表面活性剂为硬脂酸(十八烷酸)或硅烷偶联剂；所述的润滑剂为石蜡，所述的分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。硬脂酸或硅烷偶联剂能提高喂料的表面活性，显著改善陶瓷粉料与高分子添加剂的相容性，但过多的硬脂酸或硅烷偶联剂或使结合强度加大，不利于后期的脱脂过程；石蜡能显著提高喂料的流动性，但含量过多会降低陶瓷粉体的装载量；聚乙烯吡咯烷酮能改善陶瓷粉体的均匀性，含量过多对均匀性的继续提高作用不在明显。根据本专利技术，优选的，所述的粘结剂选自乙烯醋酸乙烯共聚物、聚丙烯；进一步优选的，所述的乙烯醋酸乙烯共聚物的分子量为1800～3000，所述的聚丙烯的结晶度为80％～90％。根据本专利技术，上述注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料的制备方法，步骤如下：(1)混料首先将炭粉、分散剂和表面活性剂在乙醇介质中超声分散处理，然后将碳化硼、碳化硅、按比例称量，加入预先分散处理的混合液，球磨混合2～6h，然后将浆料干燥、过筛；(2)混炼将过筛后的粉料与粘结剂和润滑剂搅拌混合，然后在120～170℃下，于双螺杆配混挤出机中混炼，冷却后经过切割机，切割成母粒；(3)注射将母粒注射成型得坯体，注射成型条件：注射温度160～180℃，注射压力为80～100MPa，注射速率为3～8cm/s，保压压力为60～90MPa，保压时间为5～20s，模具温度40～50℃；(4)脱脂首先将坯体用三氯乙烯、煤油或正庚烷，于40～60℃下溶剂脱脂6～20h；然后将干燥后的样品，在管式炉中N2或Ar保护气氛下，进行加热脱脂；具体加热制度为：室温～180℃升温速率为5～8℃/min，180～250℃升温速率为0.5～2℃/min，250～400℃升温速率为3～5℃/min，并且分别在180℃，210℃、23本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料，其特征在于，该复合陶瓷材料由以下质量百分比的原料成分经混料、混炼、注射、脱脂、烧结而成：碳化硼45～60％，碳化硅15～30％，炭粉1～5％，表面活性剂1～3％，分散剂0～2％，润滑剂6～15％，粘结剂4～12％；各成分用量之和为100％。

【技术特征摘要】
1.一种注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料，其特征在于，该复合陶瓷材料由以下
质量百分比的原料成分经混料、混炼、注射、脱脂、烧结而成：碳化硼45～60％，碳化硅15～30％，
炭粉1～5％，表面活性剂1～3％，分散剂0～2％，润滑剂6～15％，粘结剂4～12％；各成分用量之
和为100％。
2.根据权利要求1所述的注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料，其特征在于，该复合
陶瓷材料，由以下质量百分比的原料成分经混料、混炼、注射、脱脂、烧结而成：碳化硼50～55％，
碳化硅20～25％，炭粉1～2％，表面活性剂1～2％，分散剂1～2％，润滑剂9～12％，粘结剂6～10％；
各成分用量之和为100％。
3.根据权利要求1所述的注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料，其特征在于，所述的
碳化硼为平均粒径3～50μm的碳化硼微粉；
优选的，所述的碳化硼为由平均粒径8～10μm的碳化硼微粉和平均粒径30～35μm的碳化硼
微粉按质量比(3～4):2混合的碳化硼微粉。
4.根据权利要求1所述的注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料，其特征在于，所述的
碳化硅为平均粒径1～50μm的碳化硅微粉；
优选的，所述的碳化硅为由平均粒径2～4μm的碳化硅微粉和平均粒径35～50μm的碳化硅
微粉按质量比(3～4):2混合的碳化硅微粉。
5.根据权利要求1所述的注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料，其特征在于，所述的
炭粉为平均粒径1～2μm的炭粉。
6.根据权利要求1所述的注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料，其特征在于，所述的
表面活性剂为硬脂酸或硅烷偶联剂。
7.根据权利要求1所述的注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材料，其特征在于，所述的
润滑剂为石蜡，所述的分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。
8.根据权利要求1所述的注射成型反应烧结B4C/SiC复合陶瓷材...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉军，张钊，龚红宇，王仙丽，余锦程，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37