一种含锆的碳化硼基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种碳化棚基复合材料及其制备方法，特别是指一种含错的碳化棚基 复合材料及其制备方法，属于金属陶瓷复合材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 碳化棚（B4C)陶瓷因密度轻（2.4-2.5g/cm3)、烙点高（〉2400°C)、维氏硬度大（〉 27G化）、化学性能稳定W及中子吸收截面高，在轻质刹车装置、轻质防弹装甲、卫星抗晓曲 部件、核屏蔽部件、切割研磨部件等方面应用潜力巨大。特别是由于轻质高硬尤其适合航空 (如直升机)装甲和防弹衣等W减重为首要前提的装甲系统。但是，影响碳化棚广泛使用的 原因有Ξ:
[0003] -是碳化棚的烧结溫度高，致密化困难。由于共价键结合，热压烧结溫度达到烙点 90 %，仍然只有95 % W上致密度；
[0004] 二是初性比较低，常溫下断裂初性约为2-4MPa . ml/2,受冲击后粉碎性破裂，在防 弹上不能抗多发弹打击且可能对未受冲击部位带来破坏；
[0005] Ξ是强度低，WC-Co复合材料(硬质合金）的抗弯强度最低都在lOOOMPaW上，而已 报道的碳化棚陶瓷的抗弯强度大部分小于SOOMPa。如K . A . Schwetz (J . Solid State 化emis化y，1997,133:178-181)改变各种参数，采用高溫热等静压烧结得到的碳化棚，弯曲 强度小于600MPa，V.SkoroWiod(J.Material Science Letter,2000,19:237-239)利用热压 烧结方法，通过添加少量的Ti〇2和C粉，制得的含TiB2的B4C陶瓷四点抗弯强度最高是 621MPa。专利CN1582264A-碳化棚质烧结体及其制造方法报道，通过优化成分，采用无压烧 结得到的含TiB2的B4C陶瓷四点抗弯强度可提高到700M化左右。
[0006] 因此，克服碳化棚的上述Ξ个缺点，提高强度、降低烧结溫度和增加初性是目前国 内外碳化棚陶瓷研究的热点和难点。对于轻质抗弹用的碳化棚，除硬度要求高W外，为提高 吸能、抗多发弹打击和机械加工的需要，初性指标同样很重要。
[0007] 碳化棚增初的方法有自增初（相变增初、弥散析出增初）和复合增初两类，自增初 是利用烧结和热处理工艺得到内部自生的增初相，增初机理是通过初性相的塑性变形吸 能，降低裂纹尖端的应力集中，阻止裂纹扩展。目前碳化棚自增初方面由于第二相元素的选 择复杂，研究报道少，增初潜力有限。研究比较多的是制备时引入异质组元即复合增初，异 质组元可W是连续纤维、短纤维或晶须、颗粒和连续金属。
[0008] 根据增初组元不同其增初机理亦有区别。
[0009] 纤维增初情况下，纤维既能承载，又可阻碍裂纹的扩展，通过纤维桥联、裂纹偏转、 纤维拔出机制消耗能量，增加材料初性，纤维增初碳化棚的缺点是成本高，均匀制备有困 难。
[0010] 颗粒增初常采用粉末烧结方法制备样品，颗粒尺度在微米级或纳米级。其增初机 理是颗粒和微裂纹作用导致的颗粒诱导开裂耗能、裂纹偏转和裂纹桥联耗能增初。研究较 多的增初颗粒（或粘接剂）有C、Ti、Zr02、SiC、TiB2、Si等，缺点是增初效果有限，如专利 CN1582264A-碳化棚质烧结体及其制造方法报道的含TiB2的B4C陶瓷，其断裂初性只有 2.8MPa · mi/2。
[0011] 连续金属增初碳化棚是采用溶渗法在碳化棚骨架里引入高含量连续初性金属。运 种工艺制备的B4C-Metal是双连续相复合结构，B4C颗粒烧结成互连的整体，溶渗的金属也是 连续的整体，复合材料整体硬度高，而初性大大提高，抗冲击性能不降低，例如国外公开报 道的B4C-MgSi的抗弹指数η平均为8,不低于纯烧结碳化棚（N Frage，React ion-bonded Boron-Carbide/Magnesium-Silicon Composites.Applied Ceramic Technology,2014, 11:273-279)。缺点是，制备过程较为复杂，对设备要求较高，连续增初金属只能采用烙点较 低的金属，因此不能在高溫条件下使用。
[0012] 错是一种稀有金属，具有抗腐蚀性能好、烙点高等特性，被广泛用在航空航天、军 工、核反应、原子能领域。金属错的加入不但能增加碳化棚的初性，还能使得复合材料可应 用于高溫场合。但是因错金属活性大，采用常规粉末冶金烧结方法，因烧结溫度高W及烧结 时间长，高溫烧结时金属错和碳化棚基体很快反应完毕，很难得到含错金属的增初碳化棚 复合材料。
【发明内容】
[0013] 本发明的一个目的正是针对现有技术中存在的缺点而设计提出了一种组分配比 合理，密度低，硬度高，断裂初性好，耐高溫的含错的碳化棚基复合材料。
[0014] 本发明的另一目的是提供一种制备工艺简单，操作方便，制备的复合材料密度低， 硬度高，断裂初性好，耐高溫的含错的碳化棚基复合材料的快速直接制备方法。
[0015] 本发明一种含错的碳化棚基复合材料，包括下述组分按质量百分比组成：
[0016] 碳化棚 30-90wt.%，
[0017] 错 10-70wt.%。
[0018] 本发明一种含错的碳化棚基复合材料，包括下述组分按质量百分比组成：
[0019] 碳化棚 40-80wt.%，
[0020] 错 20-60wt.%。
[0021] 本发明一种含错的碳化棚基复合材料，包括下述组分按质量百分比组成：
[0022] 碳化棚 50-80wt.%，
[0023] 错 20-50wt.%。
[0024] 本发明一种含错的碳化棚基复合材料，碳化棚粉和错粉的平均粒度均为0.1-10化 ΓΠ 〇
[0025] 本发明一种含错的碳化棚基复合材料，碳化棚粉和错粉的纯度均在98-99.999%。
[0026] 本发明一种含错的碳化棚基复合材料的制备方法，包括下述步骤：
[0027]第一步:配料
[0028] 按设计的碳化棚基复合材料组份配比称取碳化棚粉和错粉，球磨混合均匀，得到 混合粉末；
[0029] 第二步:真空烧结
[0030] 将混合粉末装入石墨模具中，进行放电等离子烧结，烧结工艺参数为：
[0031 ] 真空度1-10化，对模具中的粉末施加1-lOMPa压力，W50-200°C/分钟的升溫速率 升溫至1000-2000°C，保溫l-2min后，将压力提升至15-70M化，继续保溫5-30min后，W80- 120°C/分钟的速率降溫至300-800°C后，随炉冷却至室溫，得到成品。
[0032] 本发明一种含错的碳化棚基复合材料的制备方法，第一步中，球磨混合工艺参数 为:球磨机转速50-150转/分钟，球料质量比1:0.5-1，球磨混合时间3-5小时。
[0033] 本发明一种含错的碳化棚基复合材料的制备方法，第二步中，放电等离子设备升 溫及保溫阶段，施加的电流320-4000A，电压4-7V，电流参数on-of f选自9ms-lms、8ms-2ms、 6ms-4ms、5ms-5ms 中的一种。
[0034] 本发明一种含错的碳化棚基复合材料的制备方法，第二步中，优化的烧结工艺参 数为：
[00巧]真空度l-6Pa，对模具中的粉末施加压力，W60-I50°c/分钟的升溫速率升 溫至1100-1800°C，保溫后，将压力提升至25-60Mpa，继续保溫5-25mim后，W90-120 °C/分钟的速率降溫至500-800°C。
[0036] 本发明一种含错的碳化棚基复合材料的制备方法，碳化棚粉和错粉的平均粒度均 为 0.1-100皿。
[0037] 本发明一种含错的碳化棚基复合材料的制备方法，碳化棚粉和错粉的纯度均在 98-99.9%。
[0038] 本发明制备含错的碳化棚复合材料的方法工作原理：
[0039] 本发明采用放电等离子技术烧结成型碳化棚-错复合材料，烧结过程集放电等离 子活化、电阻加热为一体，在粉末颗粒间产生大的脉冲电流（io3-io4a)，并有效利用了粉末 颗粒间放电产生的自发热作用。选用的大升溫速率，短保溫时间，能有效减少碳化棚和错粉 的反应，提高复合材