一种具有高韧性和高导热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，公开了一种具有高韧性和高导热的硼化物陶瓷及其制备方法和应用。所述硼化物陶瓷是将ZrO

Boride ceramics with high toughness and heat conduction and its preparation and Application

The invention belongs to the technical field of ceramic materials, and discloses a boride ceramic with high toughness and high heat conduction and a preparation method and application thereof. The boride ceramic is composed of ZrO

【技术实现步骤摘要】
一种具有高韧性和高导热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，涉及一种具有高韧性和高导热的硼化物陶瓷及其制备方法和应用。
技术介绍
硼化铬被认为具有优异的抗腐蚀性能，但迄今为止，科学文献中仍然只有少数报道这种性质；大多数报道的调查都集中在Ti和Zr二硼化物上。硼化铬是结构应用的潜在候选者，硼化铬可以满足在严苛的条件下需要高温强度和稳定性。硼化铬在切削工具上具有相当大的作为硬涂层可能性，并且作为材料的保护涂层可以耐磨损和耐腐蚀。若其作为添加剂，用于改善高性能陶瓷材料(如硼化物和碳化物)的性能，但其固有的脆性，不良的抗氧化和抗热冲击性，难以加工性和较差的损伤容限是阻碍其在极端环境中应用的主要障碍。文献中报道，在B4C中加入22.5mol％CrB2后，断裂韧性从2.6MPa·m1/2增加至3.2MPa·m1/2，抗弯强度由170MPa提升至684MPa。ZrB2基陶瓷材料具有良好的力学性能，抗氧化性能和抗烧蚀性能，尤其是在高温下突出的力学性能和抗氧化性能使得ZrB2基陶瓷材料在高温下具有广阔的应用前景。因为ZrB2基陶瓷材料的热物理性能对其高温性能有很大的影响，使得ZrB2基陶瓷材料的热物理性能得到了充分的研究。常温下ZrB2基陶瓷材料的热导率约为30W/(m·K)，但是硼化锆断裂韧性低导致其在高温等严苛环境下得不到广泛地应用，如果硼化锆的断裂韧性得到改善将使其应用更广泛。然而，几乎没有报道ZrB2-CrB2陶瓷，因此关于这些材料及其特性还有很多需要研究的地方。专利
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本专利技术的首要目的在于提供一种具有高韧性和高导热的硼化物陶瓷。该陶瓷存在均一固熔体相，具有高韧性、高热导率的优点。本专利技术另一目的在于提供上述具有高韧性和高导热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具有高韧性和高导热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：一种具有高韧性和高导热的硼化物陶瓷，所述硼化物陶瓷是将ZrO2、Cr2O3和无定型硼粉混合，添加溶剂和球磨介质，将球磨和干燥后得混合粉体；采用模压工艺将混合粉体制成的坯体，在真空条件下将该坯体升温至1500～1700℃进行煅烧，经研磨后过筛制得(ZrxCry)B2硼化物固熔体粉末，其中，0.75≤x≤0.95，0.05≤y≤0.25；然后采用放电等离子烧结将(ZrxCry)B2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℃烧结，加压10～100MPa制得。优选地，所述硼化物陶瓷的相对密度92.4～99.6％，断裂韧性为2.43～5.94MPa·m1/2，热导率为24.5～67W/(m·K)。优选地，所述ZrO2和Cr2O3的纯度为99.0～99.9wt％，ZrO2和Cr2O3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(ZrxCry)B2硼化物固熔体粉末的粒径为0.1～1μm，所述(ZrxCry)B2硼化物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Cr2O3的摩尔比为(6～8)：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。优选地，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，所述升温至1500～1700℃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℃的升温的速率均为100～400℃/min，所述烧结的时间为1～30min。所述的具有高韧性和高导热的硼化物陶瓷的制备方法，包括如下具体步骤：S1.将ZrO2、Cr2O3和无定型硼粉加入溶剂和球磨介质进行混合，在球磨机上混合10～48h，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，得(ZrxCry)B2固熔体粉末；S3.将研磨后过筛制得(ZrxCry)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℃烧结，保温1～30min，加压10～100MPa，制得(ZrxCry)B2硼化物陶瓷。所述的具有高韧性和高导热的硼化物陶瓷在超高温隐身材料领域中的应用。本专利技术的一种具有高韧性和高导热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(ZrxCry)B2硼化物粉末，Zr，Cr之间固熔，制备出固熔体粉末，促进烧结致密化，提高材料性能。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(ZrxCry)B2硼化物固熔体粉末，通过放电等离子烧结制备(ZrxCry)B2硼化物陶瓷材料，该粉末晶粒尺寸小，成分均匀，且为固熔体粉末，相比于商业购买的硼化物粉末纯度高，组分均一，且其为固熔体粉末，达到了原料粉末的化学方面的均匀性，比多种硼化物简单的机械式的混合达到的物理均匀性更有优势，且其也进一步促进烧结陶瓷材料固熔相的形成，促进烧结致密化。2.本专利技术采用SPS实现(ZrxCry)B2硼化物陶瓷的快速致密化，极大缩短了晶粒长大时间，可获得晶粒细小的陶瓷，烧结出的(ZrxCry)B2硼化物陶瓷材料组织细小，更大的提高材料的性能。3.本专利技术采用CrB2作为第二相固熔，由于其有良好的导热性和抗腐蚀性能，使得(ZrxCry)B2硼化物陶瓷材料的导热性能和抗腐蚀性能得到提升。4.本专利技术通过在ZrB2中原位固熔CrB2，直接制备出(ZrxCry)B2固熔体粉末，可以促进原子扩散，提高烧结特性，进一步提高材料的导热性，且CrB2的加入增加了晶界的能量，使得断裂韧性增加。附图说明图1为实施例5中(Zr0.95Cr0.05)B2硼化物陶瓷粉末的XRD图谱。图2为实施例5中(Zr0.95Cr0.05)B2硼化物陶瓷粉末的SEM照片。图3为实施例5中(Zr0.95Cr0.05)B2硼化物陶瓷的断口形貌。图4为实施例5中(Zr0.95Cr0.05)B2硼化物陶瓷的抛光面腐蚀照片。图5为对比例1中ZrB2陶瓷的断口形貌。图6为对比例1中ZrB2陶瓷的抛光面腐蚀照片。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、方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有高韧性和高导热的硼化物陶瓷，其特征在于，所述硼化物陶瓷是将ZrO

【技术特征摘要】
1.一种具有高韧性和高导热的硼化物陶瓷，其特征在于，所述硼化物陶瓷是将ZrO2、Cr2O3和无定型硼粉混合，添加溶剂和球磨介质，将球磨和干燥后得混合粉体；采用模压工艺将混合粉体制成的坯体，在真空条件下将该坯体升温至1500～1700℃进行煅烧，经研磨后过筛制得(ZrxCry)B2硼化物固熔体粉末，其中，0.75≤x≤0.95，0.05≤y≤0.25；然后采用放电等离子烧结将(ZrxCry)B2硼化物粉末升温至1000～1400℃时充入保护气氛，然后升温至1800～2200℃烧结，加压10～100MPa制得。


2.根据权利要求1所述的具有高韧性和高导热的硼化物陶瓷，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Cr2O3的摩尔比为(6～8)：1。


3.根据权利要求1所述的具有高韧性和高导热的硼化物陶瓷，其特征在于，所得硼化物陶瓷的相对密度为92.4～99.6％，断裂韧性为2.43～5.94MPa·m1/2，热导率为24.5～67W/(m·K)。


4.根据权利要求1所述的具有高韧性和高导热的硼化物陶瓷，其特征在于，所述(ZrxCry)B2硼化物固熔体粉末的粒径为0.1～1μm，所述(ZrxCry)B2硼化物固熔体粉末的氧含量为0.01～0.1wt％。


5.根据权利要求1所述的具有高韧性和高导热的硼化物陶瓷，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。


6.根据权利要求1所述的具有高...

【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