专利名称：一种铝镁硼陶瓷材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铝镁硼陶瓷材料的制备方法，属特种陶瓷复合材料的制备及应用的技术领域。
背景技术：
铝镁硼陶瓷材料具有硬度高、耐磨性能好、化学稳定性好等特点，常在军事装备及高力学性能的机械设备上使用，但由于铝镁硼材料的韧性较低，限制了其应用范围。目前，制备铝镁硼陶瓷材料的方法有机械合金化热压烧结法、热处理法、析晶沉积法、金属盐制备法；机械合金化热压烧结法耗能高、球磨时淬火钢球造成的铁污染大、工艺过程复杂、难控制；热处理法耗能高、成本高、易引入杂质、显微硬度低；析晶沉积法和金属盐制备法虽然纯度高，也可避免原料由于高温长时间热处理生成的杂相，但耗能高、周期·长、成本高；以上方法虽然也能制备铝镁硼陶瓷材料，但存在诸多技术上的不足和弊端。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的不足，采用电场激活与压力辅助烧结相结合的方法制备铝镁硼陶瓷材料，以大幅度提高铝镁硼陶瓷材料的力学性能，扩大铝镁硼陶瓷材料的应用范围。技术方案
本发明使用的化学物质材料为硼粉、镁粉、铝粉、无水乙醇、氩气，其准备用量如下以克、毫升、厘米3为计量单位
铝粉=Al粉体颗粒直径彡2Mm,O. 4185g±0. OOOlg 镁粉=Mg粉体颗粒直径< 74Mm，0. 3609g±0. OOOlg 硼粉=B 粉体颗粒直径< 60Mm，2. 0646g±0. OOOlg 无水乙醇C2H5OH IOOmLilmL 氩气Ar 100000cm3± IOOcm3 制备方法如下
(1)精选化学物质材料
对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制
铝粉固态粉体99.95%
镁粉固态粉体99.99%
硼粉固态粉体99%
无水乙醇液态液体 99%
氩气气态气体 97%
(2)硼粉真空退火
将硼粉2. 0646g±0. OOOlg置于石英容器中，然后置于真空退火炉内进行退火，退火温度1500°C，保温时间120min，真空度lOPa，退火后使硼粉晶化；
(3)配粉
在通入氩气的手套箱内配制铝粉、镁粉、硼粉成混合铝镁硼粉；
: :将密闭包装的铝粉、镁粉、硼粉分别置于手套箱中，将球磨罐置于手套箱中，并密
闭；
.抽取手套箱内空气，使箱内压强达I X KT1Pa ；·
':!)向箱内输入気气，気气输入速度20cm3/min ;使箱内压强和室外大气压强相同，为一个标准大气压，并恒定；
$称取铝粉O. 4185g、镁粉O. 3609g、硼粉2. 0646g,按质量比为铝镁硼=1. 16 I 5. 72 ；
将铝粉、镁粉、硼粉放入球磨罐中，成铝镁硼混合粉，然后装入氧化锆研磨球，研磨
球混合粉=10 1，并用石蜡封装；
(4)铝镁硼混合粉机械合金化
铝镁硼混合粉的机械合金化是在球磨机内进行的，是在氧化锆研磨球的研磨下完成
的；
:将装有铝镁硼混合粉和氧化锆研磨球的球磨罐装入球磨机上，进行球磨；
；f-开启球磨机，球磨机转速为250r/min，球磨时间10h，通过氧化锆研磨球的碰撞、挤
压研磨，铝镁硼混合粉颗粒发生塑形变形、断裂、焊合，原子间相互扩散，形成均匀混合粉末；
(5)预压成型
￠::预制石墨模具，石墨模具为开合式，型腔为圆筒形，型腔内下部设石墨垫块，上部设石墨压块；
S将铝镁硼混合粉加入石墨模具内，铝镁硼混合粉置于石墨垫块与石墨压块之间；
:f.将石墨模具置于竖式压力机上进行预压制，压力机压强为15MPa，压制时间15s，预
压制后成铝镁硼块体；
(6)铝镁硼陶瓷材料的合成烧结
铝镁硼陶瓷材料块体的合成烧结是在竖式烧结炉内进行的，是在加热、加压、真空状态下完成的；￠:将装有铝镁硼块体的石墨模具置于竖式烧结炉内的工作台上，工作台为铜电极，上部压块亦为铜电极，垂直施压；f关闭烧结炉，并密闭；
开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达IOPa ；
S开启烧结炉内电源，并加热，使炉内温度达600°c + 2°C，加热石墨模具及其内的铝镁硼块体；
:f开启烧结炉上部的压力电机，并由铜电极压力块对模具内的铝镁硼块体施压，压强为20MPa，施压时间2min ；
继续使炉内温度升至1500°C i 2°C，继续加热石墨模具及铝镁硼块体；
S继续增大烧结炉上部压力电机及铜电极压力块的压力，使压强达60MPa，在1500°C，60MPa下保持15min，使之成型；
关闭加热电源，使石墨模具及铝镁硼块体随炉冷却至室温25°C ；
:|关闭真空泵，使炉内压强和室外大气压强相同，为一个标准大气压；
.开启烧结炉，关闭加压电机，取出石墨模具及其内的铝镁硼块体；
打开石墨模具，取出铝镁硼块体，即为铝镁硼陶瓷材料；
(7)检测、分析、表征
对制备的铝镁硼陶瓷材料的形貌、色泽、成分、化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征；
用X-射线仪进行物相分析；
用JOEL电子扫描显微镜进行形貌分析；
用能量色散谱仪进行元素分析；
用JE0L-2010型高分辨透射电镜进行微区结构分析；
用HVS-1000A显微硬度机测量样品的显微硬度；
用摩擦磨损仪测量摩擦系数；
结论铝镁硼陶瓷材料为黑色，金相组织致密性好，铝镁硼AlMgB14质量纯度达97%，3%转化为尖晶石；硬度达27. 2GPa，平均密度为2. 62g/cm3,断裂韧性达3MPa ·πι°_5，表面摩擦系数为O. 45 O. 55 ；
(8)产品储存制备的铝镁硼陶瓷材料块体用软质材料包装，储存于阴凉、干燥、洁净环境，储存温度20°C，相对湿度彡10%。有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是采用铝粉、镁粉、硼粉做原料，经硼粉退火、按比例配粉、机械合金化、预压成型、高温加压烧结，制成铝镁硼陶瓷材料块体，铝镁硼陶瓷材料块体金相组织致密性好，硬度达27. 2GPa，平均密度为2. 62g/cm3,断裂韧性达3MPa · m°_5，表面摩擦系数为O. 45、. 55，此制备方法工艺先进，数据翔实准确，耗能低，不污染环境，是十分理想的制备铝镁硼陶瓷材料的方法。
图I为铝镁硼陶瓷材料加热、加压、烧结状态图 图2为铝镁硼陶瓷材料块体横切面金相组织形貌图 图3为铝镁硼陶瓷材料块体的X射线衍射图谱· 图4为铝镁硼陶瓷材料块体的TEM像 图5为图4中的A和B晶体电子衍射花样图 图中所示，附图标记清单如下
I、烧结炉，2、炉座，3、顶盖，4、铜电极工作台，5、铜电极压力块，6、压力电机，7、真空泵，8、观察窗，9、石墨模具，10、石墨垫块，11、石墨压块，12、铝镁硼块体，13、开合架，14、电控箱，15、显示屏，16、指示灯，17、真空泵调控器，18、加热温度调控器，19、压力电机调控器，20、导线,21、铜电极调控器。
具体实施例方式以下结合附图对本发明做进一步说明
图I所示，为铝镁硼陶瓷材料加热、加压、烧结状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、厘米*为计
量单位。铝镁硼陶瓷材料的合成烧结是在竖式烧结炉内进行的，是在真空、加热、加压、烧结状态下完成的；
烧结炉为竖式，烧结炉I底部为炉座2,顶部为顶盖3,在顶盖3上部设有压力电机6,在烧结炉I内底部设有铜电极工作台4，在铜电极工作台4上垂直置放石墨模具9，石墨模具9周边由开合架13固定，在石墨模具9内底部置放石墨垫块10，在石墨垫块10上部为铝镁硼块体12，在铝镁硼块体12上部由石墨压块11压住，在石墨压块11上部由铜电极压力块5压住，铜电极压力块5上部联接顶盖3上部的压力电机6 ;在烧结炉I的右下部设有真空泵7 ;在烧结炉I的左上部设有观察窗8 ;在烧结炉I的左侧部设有电控箱14，在电控箱14上设有显示屏15、指示灯16、真空泵调控器17、加热温度调控器18、压力电机调控器19、铜电极调控器21 ；电控箱14通过导线20与烧结炉I联接。图2所示，为铝镁硼陶瓷材料块体横切面金相组织形貌图，图中可观察到两种不同的相，黑色区包含Al、Mg、和B元素，是AlMgB14相；浅灰色区包含Al、Mg和O元素，是尖晶石MgAl2O4相，O来自初始粉末和球磨过程，图中显示AlMgB14作为基质分布均匀致密。图3所示，为铝镁硼陶瓷材料块体X射线衍射强度图谱，纵坐标为衍射强度，横坐标为衍射角2 Θ ,AlMgB14IMgAl2O4的峰率比为6. 5，说明反应完全，得到所需的物相AlMgB14,产物在2 0=40.69°、42. 2° ,13. 89°处有衍射峰，这些峰通常在正交的AlMgB14结构中存在，其余杂质相为MgAl2O4, MgAl2O4来自于初始原料和球磨过程中存在的氧，Al是促进质量传输、提前加入的过量铝。图4所示，为铝镁硼陶瓷材料块体的TEM像，图中两晶体清晰可见，箭头A所指晶体为大多数，遍布整个样品，表明生成了较多的A晶体，箭头B所指的晶体分布很少，通过电子衍射花样识别结构，表明A是AlMgB14晶体，B是MgAl2O4晶体。图5所示，为图4中的A、B晶体电子衍射花样图，图中可知(a)中晶带轴平行于，用数字4、5和6标出衍射斑点的米勒指数分别是(0 I)、U 0 )、 1 0),通·过量尺测量斑点间距离，然后根据相机常数计算出d值，分别是Cl1=O. 63774、d2=0. 50871、d3=0. 47444 ;通过计算得出晶格常数接近AlMgB14晶体的理论值；由此可以确认晶体A是一
正交晶格的AlMgB14 ； (b)斑点I、2和3的米勒指数分别是(II I), (11 1), (O 02)-
过量尺测量斑点间距离，然后根据相机常数计算出d值，分别是屯=0. 46667 ；d2=0. 46667 ；d3=0. 40415 ;通过计算得出晶格常数接近MgAl2O4晶体(尖晶石)的理论值；由此可以确认晶体B是面心立方晶格的MgAl2O4尖晶石。
权利要求
1.一种铝镁硼陶瓷材料的制备方法，其特性在于使用的化学物质材料为硼粉、镁 粉、铝粉、无水乙醇、氩气，其准备用量如下以克、毫升、厘米3为计量单位 铝粉=Al粉体颗粒直径彡2Mm,O. 4185g±0. OOOlg 镁粉=Mg粉体颗粒直径< 74Mm，0. 3609g±0. OOOlg 硼粉=B 粉体颗粒直径< 60Mm，2. 0646g±0. OOOlg 无水乙醇C2H5OH IOOmLilmL 氩气Ar 100000cm3± IOOcm3 制备方法如下 精选化学物质材料 对制备使用的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制 铝粉固态粉体99.95% 镁粉固态粉体99.99% 硼粉固态粉体99% 无水乙醇液态液体 99% 氩气气态气体 97% (2)硼粉真空退火 将硼粉2. 0646g±0. OOOlg置于石英容器中，然后置于真空退火炉内进行退火，退火温度1500°C，保温时间120min，真空度10Pa，退火后硼粉晶化； 配粉 铝粉、镁粉、硼粉的配制是在手套箱内进行的，是在氩气保护下完成的； .X密闭包装铝粉、镁粉、硼粉，分别置于手套箱中，将球磨罐置于手套箱中，并密闭； 2:抽取手套箱内空气，使箱内压强达IXKT1Pa ； E向箱内输入IS气，IS气输入速度20cm3/min ;使箱内压强和室外大气压强相同，为一个标准大气压，并恒定； $称取铝粉O. 4185g、镁粉O. 3609g、硼粉2. 0646g,按质量比为铝镁硼=1. 16 I 5. 72 ； S+将铝粉、镁粉、硼粉放入球磨罐中，成铝镁硼混合粉，然后装入氧化锆研磨球，研磨球混合粉=10 1，并用石蜡封装； (4)铝镁硼混合粉机械合金化 铝镁硼混合粉的机械合金化是在球磨机内进行的，是在氧化锆研磨球的研磨下完成的； I将装有铝镁硼混合粉和氧化锆研磨球的球磨罐装入球磨机上，进行球磨； 2开启球磨机，球磨机转速为250r/min，球磨时间10h，通过氧化锆研磨球的碰撞、挤压研磨，铝镁硼混合粉颗粒发生塑形变形、断裂、焊合，原子间相互扩散，形成均匀混合粉末； (5)预压成型 X预制石墨模具，石墨模具为开合式，型腔为圆筒形，型腔内下部设石墨垫块，上部设石墨压块； %将铝镁硼混合粉加入石墨模具内，铝镁硼混合粉置于石墨垫块与石墨压块之间； 3'将石墨模具置于竖式压力机上进行预压制，压力机压强为15MPa，压制时间15s，预压制后成铝镁硼块体； (6)铝镁硼陶瓷材料的合成烧结 铝镁硼陶瓷材料块体的合成烧结是在竖式烧结炉内进行的，是在加热、加压、真空状态下完成的； .1:将装有铝镁硼块体的石墨模具置于竖式烧结炉内的工作台上，工作台为铜电极，上部压块亦为铜电极，垂直施压； S关闭烧结炉，并密闭； I开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达IOPa ； 开启烧结炉内电源，并加热，使炉内温度达600°C + 2°C，加热石墨模具及其内的铝镁硼块体； .1开启烧结炉上部的压力电机，并由铜电极压力块对模具内的铝镁硼块体施压，压强为20MPa，施压时间2min ； 继续使炉内温度升至1500°C± 2°C，继续加热石墨模具及铝镁硼块体； Z继续增大烧结炉上部压力电机及铜电极压力块的压力，使压强达60MPa，在1500°C，60MPa下保持15min，使之成型； S关闭加热电源，使石墨模具及铝镁硼块体随炉冷却至室温25°c ； I关闭真空泵，使炉内压强和室外大气压强相同，为一个标准大气压； 3开启烧结炉，关闭加压电机，取出石墨模具及其内的铝镁硼块体； 打开石墨模具，取出铝镁硼块体，即为铝镁硼陶瓷材料； (7)检测、分析、表征 对制备的铝镁硼陶瓷材料的形貌、色泽、成分、化学物理性能、力学性能进行检测、分析、表征； 用X-射线仪进行物相分析； 用JOEL电子扫描显微镜进行形貌分析； 用能量色散谱仪进行元素分析； 用JE0L-2010型高分辨透射电镜进行微区结构分析； 用HVS-1000A显微硬度机测量样品的显微硬度； 用摩擦磨损仪测量摩擦系数； 结论铝镁硼陶瓷材料为黑色，金相组织致密性好，铝镁硼AlMgB14质量纯度达97%，3%转化为尖晶石；硬度达27. 2GPa，平均密度为2. 62g/cm3,断裂韧性达3MPa ·πι°_5，表面摩擦系数为O. 45 O. 55 ； 产品储存 制备的铝镁硼陶瓷材料块体用软质材料包装，储存于阴凉、干燥、洁净环境，储存温度20°C，相对湿度彡10%。
2.根据权利要求I所述的一种铝镁硼陶瓷材料的制备方法，其特征在于铝镁硼陶瓷的合成烧结是在竖式烧结炉内进行的，是在真空加热，加压，烧结状态下完成的； 烧结炉为竖式，烧结炉(I)底部为炉座(2)，顶部为顶盖(3)，在顶盖(3)上部设有压力电机(6)，在烧结炉(I)内底部设有铜电极工作台(4)，在铜电极工作台(4)上垂直置放石墨模具(9)，石墨模具(9)周边由开合架(13)固定，在石墨模具(9)内底部置放石墨垫块(10)，在石墨垫块(10)上部为铝镁硼块体(12)，在铝镁硼块体(12)上部由石墨压块(11)压住，在石墨压块(11)上部由铜电极压力块(5)压住，铜电极压力块(5)上部联接顶盖(3)上部的压力电机(6);在烧结炉(I)的右下部设有真空泵(7);在烧结炉(I)的左上部设有观察窗⑶；在烧结炉I的左侧部设有电控箱(14)，在电控箱(14)上设有显示屏(15)、指示灯(16)、真空泵调控器(17)、加热温度调控器(18)、压力电机调控器(19)、铜电极调控器21 ；电控箱(14)通过导线(20 )与烧结炉(I)联接。
全文摘要
本发明涉及一种铝镁硼陶瓷材料的制备方法，是采用铝粉、镁粉、硼粉做原料，经硼粉退火，按比例配粉，机械合金化、预压成型，电场激活及高温加压烧结制成铝镁硼陶瓷材料块体，铝镁硼陶瓷材料块体金相组织致密性好，硬度达27.2GPa，断裂韧性达3MPa·m0.5，表面摩擦系数0.45~0.55，此制备方法工艺先进，数据翔实准确，安全可靠，耗能低、不污染环境，是十分理想的制备铝镁硼陶瓷材料的方法。
文档编号C04B35/58GK102942366SQ20121042305
公开日2013年2月27日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者刘雯, 闫建新, 温卫中, 王强, 苗洋, 孟庆森 申请人:太原科技大学