一种超硬高强度的硼化物陶瓷及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于陶瓷材料技术领域，公开了一种超硬高强度的硼化物陶瓷及其制备方法和应用。该硼化物陶瓷是将ZrO

A kind of super hard and high strength boride ceramics and its preparation and Application

The invention belongs to the technical field of ceramic materials, and discloses a super hard and high strength boride ceramic and a preparation method and application thereof. The boride ceramic is made of ZrO

【技术实现步骤摘要】
一种超硬高强度的硼化物陶瓷及其制备方法和应用
本专利技术属于陶瓷材料
，更具体地，涉及一种超硬高强度的硼化物陶瓷及其制备方法和应用。
技术介绍
超硬材料在航空航天、深井钻探以及材料加工等方面有着重要的应用，也是其中一种人类生活中必不可少的材料。新型的超硬材料可以由大部分的共价键和小部分的离子键构成，将具有高电子密度的过渡金属元素加入到轻元素中来制备新型的超硬材料。过渡族轻元素型超硬材料的实验和理论探索成为近年来材料、物理和化学等多学科共同关注的热点研究问题。硼化锆具有高强度和硬度、优良的导电导热性、耐腐蚀等性能，但其存在断裂韧性较低、抗氧化烧蚀性能差等不足。文献报道，纯硼化锆陶瓷具有强的共价键，需要高温、高压或者加入添加剂才能制备出致密的陶瓷材料，且其断裂韧性还较低。若采用优质的粉末，可以有效提高其烧结性能。专利CN201611021565.3中通过硼热还原固熔法成功制备出粉末粒径小，分布均匀的优质粉末，但其没有报道粉末烧结后陶瓷的性能，其属于粉末合成领域，不属于陶瓷制备领域。WB2具有高熔点、高硬度、良好的导电性和导热性、化学稳定性以及优异的耐磨性和耐腐蚀性等优点。据报道，W2B5的加入导致B4C基复合陶瓷的抗弯强度增加和断裂韧性。然而，在钨硼化合物体系中，对于WB2的研究极少。同样的，ZrB2-WB2陶瓷作为研究对象的报道极少，因此关于这些材料及其特性还有很多需要研究的地方。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本专利技术首要目的在于提供一种超硬高强度的硼化物陶瓷。该陶瓷存在均一固熔体相，具有高硬度、高强度的优点。本专利技术另一目的在于提供上述超硬高强度的硼化物陶瓷的制备方法。本专利技术再一目的在于提供上述超硬高强度的硼化物陶瓷的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：一种超硬高强度的硼化物陶瓷，所述硼化物陶瓷是将ZrO2，WO3和无定型硼粉中添加溶剂和球磨介质，经球磨和干燥后得混合粉体；采用模压工艺将混合粉体制成坯体；在真空条件下将该坯体升温至1500～1700℃进行煅烧，经研磨后过筛，得(ZrxWy)B2硼化物固熔体粉末，其中，0.75≤x≤0.95，0.75≤y≤0.95；采用放电等离子烧结，将硼化物固熔体粉末升温至1000～1400℃时充入保护气氛，然后升温至1800～2200℃，加压10～100MPa烧结制得。。优选地，所述硼化物陶瓷的相对密度为92～99.9％，硬度为16～30GPa，断裂韧性为2.4～5MPa·m1/2，抗压强度为200～650MPa。优选地，0.75≤x≤0.95，0.75≤y≤0.95。优选地，所述ZrO2和WO3的纯度为99～99.9wt％，ZrO2和WO3的粒径为0.1～10μm，所述无定型硼粉的纯度为95～99wt％，所述无定型硼粉的粒径为0.1～10μm。优选地，所述(ZrxWy)B2固熔体粉末的纯度为99～99.9wt％，所述(ZrxWy)B2固熔体粉末的粒径为0.1～1μm，所述(ZrxWy)B2固熔体粉末的氧含量为0.01～0.1wt％。优选地，所述无定型硼粉和ZrO2的摩尔比为(3～5)：1，所述无定型硼粉和WO3的摩尔比为(4～6)：1。优选地，所述溶剂为乙醇、丙酮、甲醇或丁醇中的一种以上；所述球磨介质为Si3N4、WC或ZrO2；所述保护气氛为N2或Ar。优选地，所述球磨的时间为10～48h，所述模压的压力为1～10MPa，所述模压的时间为1～10min，所述升温的速率为5～20℃/min，所述煅烧的时间为0.5～3h。优选地，所述升温至1000～1400℃和升温至1800～2200℃时的升温的速率均为100～400℃/min，所述烧结的时间为1～30min。所述的超硬高强度的硼化物陶瓷的制备方法，包括如下具体步骤：S1.将ZrO2，WO3与无定型硼粉加入溶剂和球磨介质进行球磨混合，干燥后得到混合粉体；S2.将混合粉体模压后的坯体放入石墨坩埚中，以5～20℃/min的速率升温至1500～1700℃保温0.5～3h，获得(ZrxWy)B2硼化物固熔体粉末；S3.将(ZrxWy)B2硼化物固熔体粉末放入石墨模具中，采用放电等离子烧结以100～400℃/min速率升温至1000～1400℃时充保护气氛，再以100～400℃/min速率升温至1800～2200℃，加压10～100MPa烧结，制得(ZrxWy)B2硼化物陶瓷。所述硼化物陶瓷在超高温抗压领域中的应用。本专利技术的超硬高强度的硼化物陶瓷是将两种金属氧化物和无定型硼粉为原料粉体，两元金属氧化物经过热处理后获得(ZrxWy)B2硼化物粉末，ZrO2和WO3之间固熔，制备出(ZrxWy)B2固熔体粉末，此粉末颗粒尺寸小，分布均匀，促进烧结，更容易获得致密的硼化物陶瓷，并且性能优异。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术采用硼热还原法制备了(ZrxWy)B2硼化物陶瓷粉末，该粉末与通过商业购买ZrB2/WB2粉末相比纯度高、粒径小，组分均一。2.本专利技术的反应原料就为单相固熔体粉末，相比于两种硼化物高能球磨获得的混合原料粉末物理上均匀性，该方法达到了原料组分的化学均匀性。这也有利于其烧结材料的均匀固熔体相的形成，也节约能源与成本。3.本专利技术通过在ZrB2中固熔WB2，由于原料是固熔体粉末，形成固熔体可以促进原子扩散，可在低温下实现烧结致密，改善烧结性能，使得材料的致密度得到提高，力学性能得到改善。4.本专利技术采用WB2作为第二相固熔，由于其硬度高且为不可压缩材料，这使得(ZrxWy)B2硼化物的硬度与抗压性能得到了很大的提升。附图说明图1为实施例1中(Zr0.95W0.05)B2硼化物粉末的XRD图谱。图2为实施例1中(Zr0.95W0.05)B2硼化物粉末的SEM照片。图3为实施例1中(Zr0.95W0.05)B2硼化物陶瓷的断口形貌。图4为对比例1中ZrB2陶瓷的断口形貌。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。实施例11.以ZrO2(粉末的纯度99.9％，粒径1μm)、WO3(粉末的纯度99.9％，粒径1μm)粉末与无定型硼粉(纯度95.6％，粒径1μm)为原料，无定型硼粉与ZrO2的摩尔比均为4：1，所述无定型硼粉与WO3的摩尔比均为5：1。以乙醇为溶剂，以Si3N4球为球磨介质，在辊式球磨机上混合24h，干燥后获得混合粉末；2.将混合粉末用2MPa的压力模压1min后的坯体放入石墨坩埚中，以10℃/min的速率升温1600℃保温1h，真空热处理后，经研磨后过筛，得(Zr0.95W0.05)B2硼化物固熔体粉末。3.将(Zr本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超硬高强度的硼化物陶瓷，其特征在于，所述硼化物陶瓷是将ZrO

【技术特征摘要】
1.一种超硬高强度的硼化物陶瓷，其特征在于，所述硼化物陶瓷是将ZrO2，WO3和无定型硼粉中添加溶剂和球磨介质，经球磨和干燥后得混合粉体；采用模压工艺将混合粉体制成坯体；在真空条件下将该坯体升温至1500～1700℃进行煅烧，经研磨后过筛，得(ZrxWy)B2硼化物固熔体粉末，其中，0.75≤x≤0.95，0.75≤y≤0.95；采用放电等离子烧结，将硼化物固熔体粉末升温至1000～1400℃时充入保护气氛，然后升温至1800～2200℃，加压10～100MPa烧结制得。


2.根据权利要求1所述的超硬高强度的硼化物陶瓷，其特征在于，所述无定型硼粉和ZrO2的摩尔比为(3～5)：1，所述无定型硼粉和WO3的摩尔比为(4～6)：1。


3.根据权利要求1所述的超硬高强度的硼化物陶瓷，其特征在于，所述硼化物陶瓷的相对密度为92～99.9％，硬度为16～30GPa，断裂韧性为2.4～5MPa·m1/2，抗压强度为200～650MPa。


4.根据权利要求1所述的超硬高强度的硼化物陶瓷，其特征在于，所述(ZrxWy)B2固熔体粉末的纯度为99～99.9wt％，所述(ZrxWy)B2固熔体粉末的粒径为0.1～1μm，所述(ZrxWy)B2固熔体粉末的氧含量为0.01～0.1wt％。


5.根据权利要求1所述的超硬高强度的硼化物陶瓷，其特征在于，所述溶剂为乙醇、丙酮、甲醇或丁醇中的一种以上；所述球磨介质为Si3N4、WC或ZrO2。

【专利技术属性】
技术研发人员：袁进豪，张岩，郭伟明，吴利翔，林华泰，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44