一种单壁碳纳米管增强型铝镁硼陶瓷材料的制备方法与流程

本发明涉及一种单壁碳纳米管增强型铝镁硼陶瓷材料的制备方法，属强韧性陶瓷材料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、化学稳定性好的特点，常在军工装备及高力学性能的机械设备上使用；铝镁硼陶瓷材料虽然硬度高，但脆性大、韧性低，限制了其应用范围。

碳纳米管具有独特的结构特征，优异的力学性能和电化学性能，具有良好的热稳定性，碳纳米管的杨氏模量达1Tpa，与金刚石相同，为钢的5倍，弹性模量达12%，为钢的60倍，而密度只有钢的1/6，因此碳纳米管具有超强的强度、刚度和韧性；如果将碳纳米管掺杂到铝镁硼陶瓷材料中，就会提高铝镁硼陶瓷材料的强度和韧性，这一技术还在科学研究中。

技术实现要素：

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的状况，以铝镁硼陶瓷材料为基体，掺杂单壁碳纳米管，经配粉、球磨、等离子放电热压烧结，制成增强型铝镁硼陶瓷材料，以提高铝镁硼陶瓷材料的强度和韧性。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：

单壁碳纳米管、硼粉、镁粉、铝粉、无水乙醇、氩气、石墨纸，其准备用量如下：以克、微米、毫升、厘米³为计量单位

单壁碳纳米管：C 管径≤30µm， 6g±0.001g

铝粉：Al 粉体颗粒直径≤2µm， 4.185g±0.001g

镁粉：Mg 粉体颗粒直径≤74µm， 3.609g±0.001g

硼粉：B 粉体颗粒直径≤60µm， 20.646g±0.001g

无水乙醇：C₂H₅OH 500mL±10mL

氩气：Ar 800000cm³±100cm³

制备方法如下：

（1）热处理硼粉

称取硼粉 20.646g±0.001g，加入石英容器中，然后置于真空热处理炉中，密闭；抽取炉内空气，使炉内压强恒定在10^-2Pa；

开启炉内加热器，加热温度1500℃，加热时间120min，热处理后去除硼粉中的B₂O₃， 使硼粉晶化；

（2）配粉

在手套箱内，称取铝粉4.185g±0.001g 、镁粉3.609g±0.001g、硼粉 20.646 g±0.001g ，加入石英容器中混合，成铝镁硼混合粉；

（3）球磨

将铝镁硼混合粉置于球磨机的球磨罐内，然后加入氧化锆研磨球，氧化锆研磨球与铝镁硼混合粉的体积比为10:1，密闭；球磨时间600min；球磨后铝镁硼混合粉的颗粒尺寸≤2μm；

（4）预压成型

将球磨后的铝镁硼混合粉加入石墨模具内，将石墨模具置于压力机上进行预压制，压力机压强为15MPa，压制时间15s，预压后成铝镁硼块体；

（5）真空热压烧结铝镁硼块体

将铝镁硼块体置于真空热压炉内，密闭；抽取炉内空气，使炉内真空度达10^-3Pa；

开启炉内加热器，加热温度1500℃±2℃，加压至20MPa，在20MPa下保温15min；

停止加热，使铝镁硼块体随炉冷却至25℃，成疏松的AlMgB₁₄块体；

（6）掺杂单壁碳纳米管，并球磨

将疏松的铝镁硼块体置于球磨机内，进行球磨，将铝镁硼块体球磨成粉体，粉体颗粒直径≤100μm；

称取铝镁硼粉体24g±0.001g、单壁碳纳米管6g±0.001g，置于球磨机的球磨罐内，球磨30min；球磨后成掺杂单壁碳纳米管的增强型铝镁硼混合细粉；

（7）真空等离子放电热压烧结

掺杂单壁碳纳米管的增强型铝镁硼混合细粉的烧结是在真空烧结炉内进行的，是在抽真空、输氩气、等离子放电加热、外水循环冷却下完成的；

①预制开合式石墨模具，开合式模具用石墨材料制作，模具型腔呈圆筒形，型腔表面粗糙度Ra0.08-0.16µm；

②装模；将开合式石墨模具垂直置于钢质平板上，将石墨垫块置于石墨模具内底部，在石墨垫块上部置放石墨纸，在石墨纸上部置放掺杂单壁碳纳米管的增强型铝镁硼混合细粉，并在上部平铺石墨纸，在石墨纸上部置放石墨压块；

③打开真空烧结炉，将装模后的开合式模具平行移入真空烧结炉内的工作台上，并由上部的压力块压牢，密闭；

④开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达10^-3Pa；

⑤开启氩气瓶，向真空烧结炉内输入氩气，氩气输入速度100cm³/min,使炉内压强恒定在1个大气压；

⑥开启外水循环冷却管，进行外水循环冷却；

⑦开启真空烧结炉内的等离子放电加热器，加热温度1150℃±2℃；

开启真空烧结炉上部的压力电机，通过压力块对开合式模具内的增强型铝镁硼混合细粉进行施压，施压压强63MPa，施压时间3min；烧结施压后成单壁碳纳米管增强型铝镁硼陶瓷材料；

⑧停止加热，增强型铝镁硼块体在氩气保护、施压状态下冷却至25℃；

⑨开炉，开模

停止施压，停止输氩气；

开炉、开模取出增强型铝镁硼块体，即单壁碳纳米管增强型铝镁硼陶瓷材料；

（7）清理、清洗

将增强型铝镁硼块体置于钢质平板上，用400目砂纸对块体外圆及端面进行打磨，使其光洁；然后用无水乙醇进行清洗，使其洁净；

（8）检测、分析、表征

对制备的增强型铝镁硼块体的形貌、成分、力学性能进行检测、分析、表征；

用X-射线衍射仪进行物相分析；

用电子扫描显微镜进行形貌分析；

用能量色谱仪进行元素分析；

用显微硬度机测量 显微硬度，用显微硬度值计算韧性；

结论：单壁碳纳米管增强型铝镁硼陶瓷材料呈黑色块状，金相组织致密性好，显微硬度达27-30GPa，断裂韧性达6-10MPa.m^0.5。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对铝镁硼陶瓷材料脆性大、韧性差的弊端，在铝镁硼陶瓷材料基体内掺杂单壁碳纳米管，经真空等离子放电烧结，制成增强型铝镁硼陶瓷材料，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，制备的增强型铝镁硼陶瓷材料为黑色块状，金相组织致密性好，显微硬度达27-30GPa，断裂韧性达6-10MPa.m^0.5，是先进的单壁碳纳米管增强型铝镁硼陶瓷材料的制备方法。

附图说明

图1：增强型铝镁硼陶瓷材料真空等离子放电烧结状态图

图2：增强型铝镁硼陶瓷材料横切面形貌图

图3：增强型铝镁硼陶瓷材料X射线衍射强度图谱

图中所示，附图标记清单如下：

1、真空烧结炉，2、炉顶座，3、炉底座，4、支座，5、等离子放电加热器，6、外水循环冷却管，7、真空泵，8、真空管，9、冷却水箱，10、水泵，11、出水管，12、回水管，13、工作台，14、压力快，15、开合式模具，16、石墨垫块，17、第一石墨纸，18、增强型铝镁硼混合细粉，19、第二石墨纸，20、石墨压块，21、出气管阀，22、压力电机，23、氩气瓶，24、氩气阀，25、氩气管，26、氩气，27、电控箱，28、显示屏，29、指示灯，30、等离子放电加热控制器，31、真空泵控制器，32、水泵控制器，33、压力电机控制器，34、第一导线，35、第二导线，36、第三导线，37、第四导线，38、炉腔，39、固定座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为增强型铝镁硼陶瓷材料等离子放电烧结状态图，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、微米、厘米³为计量单位。

增强型铝镁硼陶瓷材料的等离子放电烧结是在真空烧结炉内进行的，是在抽真空、输氩气、等离子放电加热、外水循环冷却下完成的；

真空烧结炉为立式，真空烧结炉1底部为支座4、炉底座3，上部为炉顶座2，内部为炉腔38；在炉腔38内底部设有工作台13，在工作台13上部置放开合式模具15，并由固定座39固定；在开合式模具15内底部为石墨垫块16，在石墨块16上部为第一石墨纸17，在第一石墨纸17上部为增强型铝镁硼混合细粉18，在增强型铝镁硼混合细粉18上部为第二石墨纸19，在第二石墨纸19上部为石墨压块20，石墨压块20上部连接压力块14，压力块14上部通过炉顶座2连接压力电机22；在真空烧结炉1的内壁上设有等离子放电加热器5；在炉底座3的左上部设有真空泵7，真空泵7通过真空管8连通炉腔38；在炉底座3的右上部设有冷却水箱9，冷却水箱9上部设有水泵10，水泵10连接出水管11，出水管11连接炉外壁上的外水循环冷却管6、回水管12，回水管12连接冷却水箱9，形成冷却水循环；在真空烧结炉1的左部设有氩气瓶23，氩气瓶23上部设有氩气阀24、氩气管25，并向炉腔38内输入氩气26；在真空烧结炉1的右部设有电控箱27，在电控箱27上设有显示屏28、指示灯29、等离子放电加热控制器30、真空泵控制器31、水泵控制器32、压力电机控制器33；电控箱27通过第一导线34与等离子放电加热器5连接，电控箱27通过第二导线35与真空泵7连接，电控箱27通过第三导线36与水泵10连接，电控箱27通过第四导线37与压力电机22连接；在真空烧结炉1的右上部设有出气管阀21。

图2所示，为增强型铝镁硼陶瓷材料横切面形貌图，图中所示：横切面断口有撕裂棱，断口形貌层次清晰，有拔出的碳管，说明添加单壁碳纳米管的增强型铝镁硼陶瓷材料的断裂韧性增强。

图3所示，为增强型铝镁硼陶瓷材料的X射线衍射强度图谱，图中所示：主要为组成相AlMgB₁₄、单壁碳纳米管和少量的MgAl₂O₄，没有出现新物相，说明AlMgB₁₄、单壁碳纳米管在烧结过程中能保持良好的热稳定性，MgAl₂O₄的生成是因为在分散制备过程中有少量氧存在，导致生成尖晶石MgAl₂O₄。