一种高韧性陶瓷基复合材料及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于陶瓷复合材料制备技术领域，具体涉及一种高韧性陶瓷基复合材料及 其制备方法与应用。
【背景技术】
[0002] 由于TiB2、Al2O3等陶瓷材料具有高熔点、高弹性模量、高硬度和高化学稳定性等 优良的物理化学性能，在结构材料领域中展现出广阔的应用前景。但是，陶瓷材料固有的 常温脆性及烧结性差的特点，使得采用传统的烧结工艺制备高致密单相块体陶瓷材料的 难度很大，这极大地限制了块体陶瓷材料作为结构材料在各领域的应用。近年来，通过 添加助烧剂并结合新型的烧结工艺制备陶瓷基复合材料，成为提高陶瓷材料烧结性能及 力学性能的有效途径。目前，应用于陶瓷材料中的助烧剂主要有以下几种类型：（1)添加 金属单质，由于金属的熔点较低，在高温烧结条件下较易产生金属液相，这能够增加粉末 颗粒间的接触面积，改善粉末颗粒间的介质，从而促进材料的致密化，提高材料的力学性 能。譬如，由于过渡金属与TiB2具有良好的润湿性，因此常作为金属单质或金属体系助 烧剂。通过选取一系列熔点由低到高的金属与TiB2进行润湿性实验研宄，发现致密效果 最好的是恪点较低 Ni 和 Cr (Hoke D.A·，Meyers M.A. Journal of the American Ceramic Society, 1995, 78 (2) : 275-284) ; (2)添加过渡金属氧化物与硼化物，Zr02、Cr203、CrB 2等都 是常用的粉末助烧剂。例如，由于与TiB2具有相似的晶体结构，两者通过产生固溶离子使得 TiB2晶格活性增强，从而提高原子扩散能力，因而CrB 2可作为助烧剂改善TiB 2陶瓷材料的 烧结性能。通过微波烧结在2100°C保温30min成功制备出全致密的TiB2-3vol. % CrB2陶瓷 基复合材料，力学性能较单相TiB2陶瓷材料大幅提升（Holcombe C.E·，Dykes N.L. Journal of Materials Science, 1991，26 (14) :3730-3738) ; (3)添加第二相陶瓷颗粒，不仅降低烧 结成型温度，提高致密度，还能有效改善陶瓷材料的力学性能。比如，在2500°C时TiBjP TiC能够形成低共熔物；在1600~1700°C烧结时可以获得完全致密的TiCVTiB2复合材料， 而且TiC与TiB22间还能形成冶金结合的界面，因而以TiC作为添加剂有利于提高TiB 2陶瓷材料的断裂韧性（Vallauri D·，Atias Adridin I.C·，Chrysanthou A. Journal of the European Ceramic Society, 2008, 28(8):1697-1713)〇
[0003] 然而，随着对复合材料断裂韧性要求的不断提高，探寻新型的助烧剂一直是研宄 者们不断追求的目标。研宄表明，多组元非晶粉末在其宽过冷液相区内具有超塑性和粘滞 流动性，即非晶粉末的粘度在过冷液相区明显降低，而当温度超过晶化温度后，其粘度随温 度又随之升高。在粉末烧结过程中，粉末粘度的降低意味着其粉末流动阻力减小，原子扩散 能力增强，从而可有效促进粉末的致密化。通过比较多组元钛基非晶态和晶态粉末的致密 化行为发现，非晶态粉末的致密化起始温度明显降低，而且非晶态粉末经烧结获得的块状 合金的致密度要明显高于晶态粉末（刘乐华.基于非晶晶化理论的高强韧钛铌基复合材料 制备研宄.华南理工大学硕士学位论文，2014)。另外，非晶晶化机制研宄表明，非晶态粉末 在烧结过程中往往形成纳米晶/超细晶结构，通过细晶强化作用可使材料的力学性能得以 提升。研究表明，通过非晶晶化方法制备的Ti基、Fe基和Ni基等体系的纳米晶/超细晶 合金，相比用一般成形工艺所制备的块状合金，其力学性能更加优异。由此可见，探索利用 具有非晶相的合金粉末作为助烧剂提高陶瓷材料的烧结性能和断裂韧性具有十分重要的 意义。迄今，很少见到研宄者采用非晶相助烧剂制备高性能陶瓷基复合材料的研宄报道。
【发明内容】
[0004] 为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种高韧 性陶瓷基复合材料。
[0005] 本发明的另一目的在于提供上述高韧性陶瓷基复合材料的制备方法。
[0006] 本发明的再一目的在于提供上述高韧性陶瓷基复合材料的应用。
[0007] 本发明目的通过以下技术方案实现：
[0008] 一种高韧性陶瓷基复合材料，所述陶瓷基复合材料以细晶的陶瓷相为基体，以金 属间化合物TiAl、Ti2AlNb和Ti3Al中的至少一种为弥散增强相。
[0009] 所述的陶瓷相优选TiB2、A1203、ZrO^ SiC ;更优选TiB 2。
[0010] 上述高韧性陶瓷基复合材料的制备方法，所述制备方法是以TiAlNb基非晶粉末 作为助烧剂，采用机械球磨和放电等离子烧结相结合的成形方法。
[0011] 所述制备方法具体包括以下制备步骤：
[0012] (1)高能球磨制备TiAlNb基非晶粉末
[0013] 将Ti、Al、Nb和其它微量组元按照设计的原子百分比配料，其中Ti含量为48. 1~ 60. 8at. %，Al含量为25. 0~46. 5at. %，Nb含量为3. 0~KX Oat. %，其他微量组元的含 量为2. 4~4. 2at. %，置于球磨机上进行球磨，形成非晶相的TiAlNb基非晶粉末；
[0014] ⑵混粉
[0015] 将步骤（1)得到的TiAlNb基非晶粉末与纯TiB2粉末在球磨机上进行球磨混合， 得到非晶粉末均匀分布的混合粉末；
[0016] (3)烧结制备高韧性陶瓷基复合材料
[0017] 将步骤（2)得到的混合粉末装入模具内，采用烧结设备进行烧结，得到高韧性TiB2陶瓷基复合材料。
[0018] 步骤（1)中所述的其它微量组元优选V、Mo和B的组合或Cr、W和B的组合。
[0019] 步骤（3)中所述的烧结设备优选放电等离子烧结设备、热压烧结设备或热等静压 烧结设备。
[0020] 所述的放电等离子烧结系统的烧结工艺条件如下：
[0021] 烧结设备：放电等离子烧结系统
[0022] 烧结电流类型：脉冲电流
[0023] 烧结温度 Ts :1200 °C 彡 Ts 彡 1500 °C
[0024] 烧结时间：20~25min
[0025] 烧结压力：5OMPa。
[0026] 上述高韧性陶瓷基复合材料在结构材料制备中的应用。
[0027] 本发明制备方法的原理为：由于选取TiAlNb基非晶粉末作为助烧剂，故混合粉末 的致密化过程主要包括两个阶段：①在< 600°C时由于非晶粉末在其过冷液相区所具有的 粘性流变性，可大幅促进!182陶瓷粉末在低温下的致密化；②在870~1500°C的温度区间， 为典型的普通助烧剂促进陶瓷粉末的致密化过程。同时，由于烧结温度区间1200~1500°C 远远高于非晶粉末的晶化温度，从而在陶瓷粉末烧结致密化的过程中，TiAlNb基非晶粉末 发生晶化生成金属间化合物TiAl、Ti2AlNb和Ti3Al ;由于得到的陶瓷基复合材料相对密度 均在95%以上，故在受力条件下微裂纹可在金属间化合物处发生裂纹偏转和裂纹桥联，从 而使得材料的断裂韧性得到大幅提升。
[0028] 本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
[0029] (1)本发明的制备方法通过控制加压方式、烧结温度、升温速率和烧结时间，可实 现微观组织晶粒均匀、近全致密、高韧性且高硬度的块体TiB2基陶瓷复合材料的制备；
[0030] (2)本发明采用TiAlNb基非晶粉末作为助烧剂，制备的块体TiB2S陶瓷复合材料 的综合力学性能优异，其显微硬度和断裂韧性分别可达21. 09GPa和10. 31MPa ·πι1/2,相比采 用含有同样质量分数的其他助烧剂，本发明制备的块体TiB2S陶瓷复合材料断裂韧性得到 了大幅提升；
[0031] (3)本发明所述机械球磨和脉冲电流烧结技术相结合的成形方法，加工过程简单、 操作方便，成材率高、节约原材料和近终成形；同时，成形材料尺寸较大，材料内部界面清洁 且其晶粒尺寸可控；
[0032] (4)本发明制备的高韧性块体TiB2基陶瓷复合材料是一种具有新型结构的陶瓷复 合材料，综合力学性能优异，尺寸较大、直径可大于20_，能基本满足作为新型结构件材料 的应用要求，具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0033] 图1为实施例1制备的TiAlNb基非晶粉末的透射电镜图；
[0034] 图2为实施例1制备的块体TiB2基陶瓷复合材料的扫描电镜图；
[0035] 图3为实施例1制备的块体TiB2S陶瓷复合材料的维氏硬度压痕图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
[0037] 实施例1
[0038] (1)高能球磨制备TiAlNb基非晶粉末
[0039] 将Ti、Al、Nb、以及V、Mo和B的初始元素粉末按照原子百分比 Ti-25Al-10Nb-3V-lM〇-0. 2B(at. % )配料，置于行星式球磨机（QM-3SP2,南京南大仪器厂） 上进行高能球磨，采用不锈钢罐体和磨