一种完全致密化高占比共价键陶瓷的烧结方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114368971A(43)申请公布日2022.04.19(21)申请号202210008341.8(22)申请日2022.01.05(71)申请人西南交通大学地址610031四川省成都市金牛区二环路北一段111号(72)发明人赵科刘金铃刘佃光陈犁韬(74)专利代理机构成都信博专利代理有限责任公司51200代理人卓仲阳(51)Int.Cl.C04B35/563(2006.01)C04B35/56(2006.01)C04B35/565(2006.01)C04B35/622(2006.01)C04B35/64(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图9页(54)发明名称一种完全致密化高占比共价键陶瓷的烧结方法(57)摘要本发明公开了一种完全致密化高占比共价键陶瓷的烧结方法，具体为：将陶瓷原料粉体装于石墨模具内进行冷压成型，冷压成型后连同石墨模具置于烧结炉中，在一定烧结温度下施加可变振幅和频率的交变压力进行交变压力烧结，冷却后形成共价键占比>85％的共价键陶瓷。本发明的交变压力烧结能够将高占比共价键陶瓷在低于传统热压烧结200‑400℃的温度下完全致密化，并维持较小的晶粒尺寸和较好的组织均匀性，使其同时具有高的硬度和高的断裂韧性，另外该方法所需设备成本低，并可用于制备大尺寸样品，容易实现工业应用，突破目前高占比共价键陶瓷因很难完全致密化从而导致力学性能难以满足工业应用需求的瓶颈。CN114368971ACN114368971A权利要求书1/1页1.一种完全致密化高占比共价键陶瓷的烧结方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：陶瓷原料粉体装于石墨模具内进行冷压成型，施加压力为5～70MPa，保压时间为1～5min；步骤2：冷压成型后连同石墨模具置于烧结炉中进行交变压力烧结，烧结温度为1500～1900℃，真空度>1×10‑2Pa；施加交变压力为：压力中值30～100MPa，振幅5～40MPa，频率2～100Hz；其中，升温过程为：以10～15℃/min从常温升高到900℃；再以1～5℃/min从900℃升高到烧结温度；其中，交变压力施加过程为：在常温到比烧结温度低20℃的温度之间，保持预加压力5MPa，在比烧结温度低20℃的温度升高到烧结温度之间，通过程序设定将预加压力匀速增大到压力中值并施加交变压力；步骤3：在烧结温度保温5～300min后，以5～10℃/min从烧结温度降低到1200℃；同时，保温结束后停止施加交变压力，在烧结温度到1200℃降温过程中将压力中值匀速地降低到0；随后，随炉冷却形成共价键占比>85％的共价键陶瓷。2.根据权利要求1所述的一种完全致密化高占比共价键陶瓷的烧结方法，其特征在于，所述步骤1中的石墨模具在装入陶瓷原料粉体前，涂刷氮化硼脱模剂，并在上下压头与陶瓷原料粉体之间垫厚度为0.15～0.3mm的石墨片。3.根据权利要求1所述的一种完全致密化高占比共价键陶瓷的烧结方法，其特征在于，所述陶瓷原料粉体包括碳化硼、碳化硅和碳化钨，其烧结温度具体为：碳化硼：1800～1900℃，碳化硅：1700～1800℃，碳化钨：1700～1800℃。4.根据权利要求1所述的一种完全致密化高占比共价键陶瓷的烧结方法，其特征在于，所述烧结气氛替换为惰性气体。2CN114368971A说明书1/5页一种完全致密化高占比共价键陶瓷的烧结方法技术领域[0001]本发明属于超硬共价键陶瓷及其制备领域，尤其涉及一种完全致密化高占比共价键陶瓷的烧结方法。背景技术[0002]高占比共价键陶瓷(如碳化硼、碳化硅和碳化钨等)因含有较高比例(>85％)的共价键，具有高熔点、高硬度、耐磨和高化学稳定性等优点，在航空航天、武器装备和机械加工等领域具有极高的实用价值和良好的应用前景。然而，这类陶瓷由于烧结性较差，很难完全致密化，一般含有一定量的气孔，这将导致其硬度和韧性等力学性能急剧降低，难以满足实际工程应用需求，这严重限制其应用范围。比如，碳化硼的共价键占比高达94％，常用制备方法有无压烧结、热压烧结、热等静压和等离子体烧结等，无压烧结和热压烧结通常分别在>2250℃和>2100℃才有可能将碳化硼烧结致密，而在>2000℃时晶粒将会快速长大甚至发生异常长大，从而使得力学性能降低，另外如此高温度还会增加设备成本；热等静压可以用于无压烧结后的二次烧结或者直接对装于包套内的粉体进行烧结，但是该工艺的程序繁琐，且缺乏合适的包套材料；等离子体烧结尽管能够在相对低的温度下将碳化硼烧致密同时维持较小的晶粒尺寸，但是很难制备大尺寸样品，且样品存在组织不均匀性，即样品表面和内部的密度和晶粒不均匀，难以实现工业化应用。超高温超高压(GPa级)烧结也面临难以制备大尺寸样品的困境。所以，目前工业可