本发明涉及陶瓷材料领域，具体是一种高性能碳化钨陶瓷材料。
背景技术：
碳化钨，分子式为Si3N4，相对分子质量140.28；六方晶系，晶体呈六面体；密度3.22，硬度9-9.5，努氏硬度约为2200，显微硬度为32630MPa；抗弯强度为750-800MPa，断裂韧性7-8MPa·m1/2；弹性模量为28420-46060MPa；不溶于水，溶于氢氟酸；熔点1900℃(加压下)，通常在常压下1900℃分解，在空气中开始氧化的温度1300-1400℃；比热容为0.71J/(g·K)，生成热为-751.57kJ/mol；热导率为16.7W/(m·K)；线膨胀系数为2.75×10-6/℃(20-1000℃)；比体积电阻，20℃时为1.4×105Ω·m，500℃时为4×108Ω·m；1285℃时与二氮化二钙反应生成二氮硅化钙，600℃时使过渡金属还原，放出氮氧化物。
碳化钨陶瓷材料因其在强度、耐磨、耐腐蚀等性能上的卓越表现，广泛应用于航空航天、机械工业、电子电力、装甲、化工等领域。在以上所述的多种性能中，碳化钨的硬度较其余几种性能还存在不足，因此，如何提高碳化钨的硬度，使其各方面性能达到均衡，从而更加适用于各个领域，是值得研究的一个课题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高硬度的高性能碳化钨陶瓷材料。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高性能碳化钨陶瓷材料，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨84-90％、微米碳化硼1.5-2.8％、金红石4.5-6.3％、氧化钇0.8-1.3％、纳米氧化硅3.2-5.6％。
作为本发明进一步的方案：按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨86.6-88.2％、微米碳化硼1.9-2.3％、金红石5.1-5.7％、氧化钇1.0-1.2％、纳米氧化硅3.8-4.2％。
作为本发明进一步的方案：按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨87.3％、微米碳化硼2.2％、金红石5.4％、氧化钇1.1％、纳米氧化硅4.0％。
所述的高性能碳化钨陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例称取碳化钨和微米碳化硼，混合，倒入其质量之和的1.2-1.4倍量的无水乙醇中，经功率为280-300W、频率为34-36kHz的超声波分散40-45min，得到悬浮液一；
(2)按比例往悬浮液一中加入氧化钇和纳米氧化硅，继续以功率为220-240W、频率为28-30kHz的超声波分散5-8min，得到悬浮液二；
(3)按比例往悬浮液二中加入金红石，继续以功率为380-420W、频率为25-26kHz的超声波分散25-30min，得到悬浮液三；
(4)将悬浮液三和其质量的14-16倍量的氧化锆球装入行星式球磨罐中，以400r/min的速度球磨10-12h，分离出悬浮液三，置于85-95℃的鼓风烘箱中干燥4-6h，过100-120目筛，得到混合原料；
(5)将混合原料置于石墨模具中进行氮气气氛烧结，烧结压力为10-14MPa，烧结温度为1460-1500℃，烧结时间为40-50min，得到所述的高性能碳化钨陶瓷材料。
作为本发明进一步的方案：所述的步骤(1)中，无水乙醇的用量为碳化钨和微米碳化硼的质量之和的1.3倍量。
作为本发明进一步的方案：所述的步骤(1)中，经功率为290W、频率为35kHz的超声波分散45min；所述的步骤(2)中，继续以功率为230W、频率为29kHz的超声波分散7min；所述的步骤(3)中，继续以功率为400W、频率为26kHz的超声波分散28min。
作为本发明进一步的方案：所述的步骤(4)中，氧化锆球的用量为悬浮液三的质量的15倍量，球磨时间为11h，干燥时间为5h。
作为本发明进一步的方案：所述的步骤(5)中，烧结压力为12MPa，烧结温度为1480℃，烧结时间为45min。
所述的高性能碳化钨陶瓷材料在制备耐磨陶瓷方面的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明以碳化钨为主体，通过掺入金红石、氧化钇、纳米氧化硅及其他组分，制得一种高性能的碳化钨陶瓷材料，该碳化钨陶瓷材料的努氏硬度为2650-2950kgf·mm-2，抗弯强度为880-935MPa，断裂韧性为7.9-8.5MPa·m1/2，弹性模量为39780-47340MPa。此外，本发明碳化钨陶瓷材料的烧结温度为1460-1500℃，该温度显著低于现有的纯碳化钨的烧结温度，因此，本发明节省了能源，有利于材料的广泛应用。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例中，一种高性能碳化钨陶瓷材料，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨90％、微米碳化硼1.5％、金红石4.5％、氧化钇0.8％、纳米氧化硅3.2％。
所述的高性能碳化钨陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例称取碳化钨和微米碳化硼，混合，倒入其质量之和的1.2倍量的无水乙醇中，经功率为280W、频率为34kHz的超声波分散45min，得到悬浮液一；
(2)按比例往悬浮液一中加入氧化钇和纳米氧化硅，继续以功率为220W、频率为28kHz的超声波分散8min，得到悬浮液二；
(3)按比例往悬浮液二中加入金红石，继续以功率为380W、频率为25kHz的超声波分散30min，得到悬浮液三；
(4)将悬浮液三和其质量的14倍量的氧化锆球装入行星式球磨罐中，以400r/min的速度球磨10h，分离出悬浮液三，置于85℃的鼓风烘箱中干燥6h，过100目筛，得到混合原料；
(5)将混合原料置于石墨模具中进行氮气气氛烧结，烧结压力为10MPa，烧结温度为1500℃，烧结时间为40min，得到所述的高性能碳化钨陶瓷材料。
实施例2
本发明实施例中，一种高性能碳化钨陶瓷材料，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨84％、微米碳化硼2.8％、金红石6.3％、氧化钇1.3％、纳米氧化硅5.6％。
所述的高性能碳化钨陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例称取碳化钨和微米碳化硼，混合，倒入其质量之和的1.4倍量的无水乙醇中，经功率为300W、频率为36kHz的超声波分散40min，得到悬浮液一；
(2)按比例往悬浮液一中加入氧化钇和纳米氧化硅，继续以功率为240W、频率为30kHz的超声波分散5min，得到悬浮液二；
(3)按比例往悬浮液二中加入金红石，继续以功率为420W、频率为26kHz的超声波分散25min，得到悬浮液三；
(4)将悬浮液三和其质量的16倍量的氧化锆球装入行星式球磨罐中，以400r/min的速度球磨12h，分离出悬浮液三，置于95℃的鼓风烘箱中干燥4h，过120目筛，得到混合原料；
(5)将混合原料置于石墨模具中进行氮气气氛烧结，烧结压力为14MPa，烧结温度为1460℃，烧结时间为50min，得到所述的高性能碳化钨陶瓷材料。
实施例3
本发明实施例中，一种高性能碳化钨陶瓷材料，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨88.2％、微米碳化硼1.9％、金红石5.1％、氧化钇1.0％、纳米氧化硅3.8％。
所述的高性能碳化钨陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例称取碳化钨和微米碳化硼，混合，倒入其质量之和的1.3倍量的无水乙醇中，经功率为290W、频率为35kHz的超声波分散45min，得到悬浮液一；
(2)按比例往悬浮液一中加入氧化钇和纳米氧化硅，继续以功率为230W、频率为29kHz的超声波分散7min，得到悬浮液二；
(3)按比例往悬浮液二中加入金红石，继续以功率为400W、频率为26kHz的超声波分散28min，得到悬浮液三；
(4)将悬浮液三和其质量的15倍量的氧化锆球装入行星式球磨罐中，以400r/min的速度球磨11h，分离出悬浮液三，置于90℃的鼓风烘箱中干燥5h，过120目筛，得到混合原料；
(5)将混合原料置于石墨模具中进行氮气气氛烧结，烧结压力为12MPa，烧结温度为1490℃，烧结时间为50min，得到所述的高性能碳化钨陶瓷材料。
实施例4
本发明实施例中，一种高性能碳化钨陶瓷材料，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨86.6％、微米碳化硼2.3％、金红石5.7％、氧化钇1.2％、纳米氧化硅4.2％。
所述的高性能碳化钨陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例称取碳化钨和微米碳化硼，混合，倒入其质量之和的1.3倍量的无水乙醇中，经功率为290W、频率为35kHz的超声波分散45min，得到悬浮液一；
(2)按比例往悬浮液一中加入氧化钇和纳米氧化硅，继续以功率为230W、频率为29kHz的超声波分散7min，得到悬浮液二；
(3)按比例往悬浮液二中加入金红石，继续以功率为400W、频率为26kHz的超声波分散28min，得到悬浮液三；
(4)将悬浮液三和其质量的15倍量的氧化锆球装入行星式球磨罐中，以400r/min的速度球磨11h，分离出悬浮液三，置于90℃的鼓风烘箱中干燥5h，过120目筛，得到混合原料；
(5)将混合原料置于石墨模具中进行氮气气氛烧结，烧结压力为12MPa，烧结温度为1470℃，烧结时间为40min，得到所述的高性能碳化钨陶瓷材料。
实施例5
本发明实施例中，一种高性能碳化钨陶瓷材料，按照质量百分比计，由以下原料组成：碳化钨87.3％、微米碳化硼2.2％、金红石5.4％、氧化钇1.1％、纳米氧化硅4.0％。
所述的高性能碳化钨陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例称取碳化钨和微米碳化硼，混合，倒入其质量之和的1.3倍量的无水乙醇中，经功率为290W、频率为35kHz的超声波分散45min，得到悬浮液一；
(2)按比例往悬浮液一中加入氧化钇和纳米氧化硅，继续以功率为230W、频率为29kHz的超声波分散7min，得到悬浮液二；
(3)按比例往悬浮液二中加入金红石，继续以功率为400W、频率为26kHz的超声波分散28min，得到悬浮液三；
(4)将悬浮液三和其质量的15倍量的氧化锆球装入行星式球磨罐中，以400r/min的速度球磨11h，分离出悬浮液三，置于90℃的鼓风烘箱中干燥5h，过120目筛，得到混合原料；
(5)将混合原料置于石墨模具中进行氮气气氛烧结，烧结压力为12MPa，烧结温度为1480℃，烧结时间为45min，得到所述的高性能碳化钨陶瓷材料。
对比例1
在实施例5的基础上，删除金红石组分，其余与实施例5完全相同。
对比例2
在实施例5的基础上，删除氧化钇组分，其余与实施例5完全相同。
对比例3
在实施例5的基础上，删除纳米氧化硅组分，其余与实施例5完全相同。
对比例4
在实施例5的基础上，删除金红石、氧化钇、纳米氧化硅组分，其余与实施例5完全相同。
对上述实施例1-5以及对比例1-4制得的碳化钨陶瓷材料进行性能测试，测得结果列于表1。由表1可以看出：本发明碳化钨陶瓷材料的努氏硬度、抗弯强度、断裂韧性、弹性模量均显著优于对比例，本发明碳化钨陶瓷材料的努氏硬度为2650-2950kgf·mm-2，抗弯强度为880-935MPa，断裂韧性为7.9-8.5MPa·m1/2，弹性模量为39780-47340MPa；对比实施例5和对比例1-4，可以发现本发明碳化钨陶瓷材料中的金红石、氧化钇、纳米氧化硅组分对其高性能的获得起着关键性作用。
表1各例制得的碳化钨陶瓷材料的性能比较
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。