一種TiB‑TiB2複合陶瓷的快速製備方法與流程
2024-02-19 10:56:15 1
本發明涉及一種TiB-TiB2複合陶瓷的快速製備方法，屬於功能防護材料製備領域。
技術背景
在現代高科技戰爭中，作戰人員和武器裝備的防護日益受到重視，防護材料強韌化，輕量化，多功能化和高效化的需求越來越高，而傳統的均質金屬裝甲在很多方面已經不能滿足現代戰爭要求。近年來，陶瓷複合材料在裝甲防護領域的應用受到了人們的廣泛關注。
TiB2作為一種新型具有耐腐蝕、硬度高、熔點高、模量高、密度相對較低等突出特性，是極為理想的重型裝甲材料，將其用於戰車的裝甲面板，能夠防禦大口徑穿甲彈的侵徹。但TiB2屬於六方晶系C32性結構的準金屬結構化合物，其硼原子面與鈦原子面間Ti-B離子鍵與B-B共價鍵決定其燒結性能較差。目前，使用無壓燒結或熱壓燒結方法製備TiB2，燒結溫度高達2000℃，製備周期長，因而成本很高。此外，純TiB2陶瓷斷裂韌性差，一定程度上也限制了它的應用。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的是提供一種TiB-TiB2複合陶瓷的快速製備方法，所述方法以TC4粉和TiB2粉為原料，採用放電等離子燒結系統，利用其燒結效率高，外加壓力和燒結氣氛可控的優點，在較低的燒結溫度下原位反應製備TiB-TiB2體系複合陶瓷，既能繼承TiB2陶瓷的優點，提高緻密度，又能降低燒結溫度，降低成本。
本發明的目的由以下技術方案實現：
一種TiB-TiB2複合陶瓷的快速製備方法，所述方法步驟如下：
(1)將TC4粉和TiB2粉加入球磨罐中，加入球磨介質，球磨使混合均勻，乾燥，得到混合粉體；
其中，所述TC4粉和TiB2粉的質量比為0.69～4.63:1；
所述TC4粉的粒徑優選≤80微米；TiB2粉的粒徑優選≤20微米；
所述球磨優選採用SM-QB行星式球磨機；
球磨參數優選為：球磨介質為無水乙醇；球料比為3:1；球磨機轉速為300r/min，球磨時間為0.5～1h；
其中，磨球優選由質量比為1:1的大瑪瑙球和小瑪瑙球組成；所述大瑪瑙球的直徑為10mm，小瑪瑙球的直徑為5mm；
所述乾燥過程優選為：
先將球磨完成後的混合泥漿於70～80℃下進行真空乾燥，待球磨介質揮發完畢後，於30～80℃下乾燥0.5～1h；
所述真空乾燥優選採用真空旋轉蒸發儀，其轉速為40～100r/min；
(2)採用放電等離子燒結系統對所述混合粉體進行燒結處理，得到本發明所述TiB-TiB2複合陶瓷；
其中，燒結過程為：
在真空度<15Pa，初始壓力為0.2～2MPa下，先以30～120℃/min的升溫速率進行升溫，當溫度升至1050～1650℃時，調節升溫速率為30℃/min以下，並同時加壓；待溫度升至1100～1700℃，壓力達5～50MPa後，保溫保壓3～15min；然後保持壓力不變，隨爐冷卻至900℃以下，卸除壓力，隨爐冷卻至100℃以下。
有益效果：
(1)本發明所述方法選用TC4粉和TiB2粉的混合粉末為原料，採用放電等離子燒結系統進行燒結，電場會在燒結過程中清潔和活化所述混合粉末的顆粒表面，使混合粉末在較低的燒結溫度下充分反應，燒結得到的TiB-TiB2複合陶瓷緻密度高，硬度高，強度高，綜合性能良好；所述TiB-TiB2複合陶瓷緻密度高達99.6％，維氏硬度值高達18.2Gpa，可應用於防護材料領域；。
(2)本發明的生產工藝簡單易行，周期短，實用性強，利於工業化。
附圖說明
圖1為實施例1～5中製備的TiB-TiB2複合陶瓷的厚度與緻密度值。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作詳細的闡述。
以下實施例中所述TC4粉由北京泰欣隆有限公司生產，其平均粒徑為45微米，純度為99.8％；其各組分的質量百分含量(wt％)如表1所示：
表1
所述TiB2粉由丹東日進科技有限公司生產，其平均粒徑為3微米，純度為99.8％；
所述無水乙醇由北京市通廣精細化工公司生產。
所述維氏硬度的測量採用LECO公司生產的LM700AT顯微硬度測試儀。
所述實際密度根據國標GB/T 1423-1996《貴金屬及其合金密度的測試方法》中規定的方法進行。
所述緻密度D的計算公式為：D＝ρ實際/ρ理論×100％，其中，ρ實際表示實際密度，ρ理論表示理論密度。
實施例1
一種TiB-TiB2複合陶瓷的快速製備方法，所述方法步驟如下：
(1)將92.59g TC4粉和65.67g TiB2粉加入SM-QB行星式球磨機的球磨罐中，並按球料比為3:1加入磨球和過量的無水乙醇；在300r/min的轉速下，球磨0.5h，得到混合泥漿；將所述混合泥漿倒入真空旋轉蒸發儀中，在轉速為80r/min、水浴溫度為80℃條件下轉蒸0.5h，得到混合粉末前體；將混合粉末前體放入電熱恆溫鼓風乾燥箱中，於80℃下乾燥0.5h，得到混合粉末。
其中，磨球由質量比為1:1的大瑪瑙球和小瑪瑙球組成；所述大瑪瑙球的直徑為10mm，小瑪瑙球的直徑為5mm。
(2)將158.26g混合粉末放入內徑為80mm的石墨模具中，再用石棉氈包裹石墨模具，放入放電等離子燒結系統中，設置爐腔內初始真空度<15Pa，初始壓力為0.2MPa，先以120℃/min的升溫速度升溫至1050℃，調節升溫速率為20℃/min，並同時加壓；待溫度升至1100℃，壓力達5MPa後，保溫保壓3min；關閉電流，先保持壓力不變，隨爐冷卻至900℃，卸除壓力，再隨爐冷卻至100℃，取出燒結後的陶瓷塊體，使用乙醇和去離子水清洗陶瓷的表面，得到本實施例所述TiB-TiB2複合陶瓷。
所述TiB-TiB2複合陶瓷中TiB的質量分數70％，實際密度為4.48g/cm3，理論密度為4.50g/cm3；如圖1所示，TiB-TiB2複合陶瓷的厚度為7mm，緻密度為99.6％；對所述TiB-TiB2複合陶瓷維氏硬度測量，300gf的試驗力下，保持10秒，得到維氏硬度值為18.2GPa。
實施例2
一種TiB-TiB2複合陶瓷的快速製備方法，所述方法步驟如下：
(1)將102.25g TC4粉和22.08g TiB2粉加入SM-QB行星式球磨機的球磨罐中，並按球料比為3:1加入磨球和過量的無水乙醇；在300r/min的轉速下，球磨1h，得到混合泥漿；將所述混合泥漿倒入真空旋轉蒸發儀中，在轉速為80r/min、水浴溫度為70℃條件下條件下轉蒸0.5h，得到混合粉末前體；將混合粉末前體放入電熱恆溫鼓風乾燥箱中，於30℃下乾燥1h，得到混合粉末。
其中，磨球由質量比為1:1的大瑪瑙球和小瑪瑙球組成；所述大瑪瑙球的直徑為10mm，小瑪瑙球的直徑為5mm。
(2)124.34g混合粉末放入內徑為80mm的石墨模具中，再用石棉氈包裹石墨模具，放入放電等離子燒結系統中，設置爐腔內初始真空度<15Pa，初始壓力為2MPa，先以30℃/min的升溫速度升溫至1650℃，調節升溫速率為10℃/min，並同時加壓；待溫度升至1700℃，壓力達50MPa後，保溫保壓15min；關閉電流，先保持壓力不變，隨爐冷卻至900℃，卸除壓力，再隨爐冷卻至100℃，取出燒結後的陶瓷塊體，使用乙醇和去離子水清洗陶瓷的表面，得到本實施例所述TiB-TiB2複合陶瓷。
所述TiB-TiB2複合陶瓷中TiB的質量分數30％，實際密度為4.45g/cm3，理論密度為4.50g/cm3；如圖1所示，TiB-TiB2複合陶瓷的厚度為5.5mm，緻密度為98.9％；對所述TiB-TiB2複合陶瓷維氏硬度測量，300gf的試驗力下，保持10秒，得到維氏硬度值為5.2GPa。
實施例3
一種TiB-TiB2複合陶瓷的快速製備方法，所述方法步驟如下：
(1)將46.15g TC4粉和66.89g TiB2粉加入SM-QB行星式球磨機的球磨罐中，並按球料比為3:1加入磨球和過量的無水乙醇；在300r/min的轉速下，球磨0.5h，得到混合泥漿；將所述混合泥漿倒入真空旋轉蒸發儀中，在轉速為80r/min、水浴溫度為70℃條件下轉蒸0.5h，得到混合粉末前體；將混合粉末前體放入電熱恆溫鼓風乾燥箱中，於80℃下乾燥0.5h，得到混合粉末。
其中，磨球由質量比為1:1的大瑪瑙球和小瑪瑙球組成；所述大瑪瑙球的直徑為10mm，小瑪瑙球的直徑為5mm。
(2)113.04g混合粉末放入內徑為80mm的石墨模具中，再用石棉氈包裹石墨模具，放入放電等離子燒結系統中，設置爐腔內初始真空度<15Pa，初始壓力為0.5MPa，先以100℃/min的升溫速度升溫至1400℃，調節升溫速率為15℃/min，並同時加壓；待溫度升至1450℃，壓力達20MPa後，保溫保壓5min；關閉電流，先保持壓力不變，隨爐冷卻至900℃，卸除壓力，再隨爐冷卻至100℃，取出燒結後的陶瓷塊體，使用乙醇和去離子水清洗陶瓷的表面，得到本實施例所述TiB-TiB2複合陶瓷。
所述TiB-TiB2複合陶瓷中TiB的質量分數100％，實際密度為4.46g/cm3，理論密度為4.50g/cm3；如圖1所示，TiB-TiB2複合陶瓷的厚度為5mm，緻密度為99.1％；對所述TiB-TiB2複合陶瓷維氏硬度測量，300gf的試驗力下，保持10秒，得到維氏硬度值為25.3GPa。
實施例4
一種TiB-TiB2複合陶瓷的快速製備方法，所述方法步驟如下：
(1)將193.07g TC4粉和136.93g TiB2粉加入SM-QB行星式球磨機的球磨罐中，並按球料比為3:1加入磨球和過量的無水乙醇；在300r/min的轉速下，球磨0.5h，得到混合泥漿；將所述混合泥漿倒入真空旋轉蒸發儀中，在轉速為80r/min、水浴溫度為70℃條件下轉蒸0.5h，得到混合粉末前體；將混合粉末前體放入電熱恆溫鼓風乾燥箱中，於80℃下乾燥0.5h，得到混合粉末。
其中，磨球由質量比為1:1的大瑪瑙球和小瑪瑙球組成；所述大瑪瑙球的直徑為10mm，小瑪瑙球的直徑為5mm。
(2)330g混合粉末放入內徑為80mm的石墨模具中，再用石棉氈包裹石墨模具，放入放電等離子燒結系統中，設置爐腔內初始真空度<15Pa，初始壓力為0.5MPa，先以100℃/min的升溫速度升溫至1300℃，調節升溫速率為20℃/min，並同時加壓；待溫度升至1350℃，壓力達20MPa後，保溫保壓5min；關閉電流，先保持壓力不變，隨爐冷卻至900℃，卸除壓力，再隨爐冷卻至100℃，取出燒結後的陶瓷塊體，使用乙醇和去離子水清洗陶瓷的表面，得到本實施例所述TiB-TiB2複合陶瓷。
所述TiB-TiB2複合陶瓷中TiB的質量分數70％，實際密度為4.40g/cm3，理論密度為4.50g/cm3；如圖1所示，TiB-TiB2複合陶瓷的厚度為14.93mm，緻密度為97.8％；對所述TiB-TiB2複合陶瓷維氏硬度測量，300gf的試驗力下，保持10秒，得到維氏硬度值為17.5GPa。
實施例5
一種TiB-TiB2複合陶瓷的快速製備方法，所述方法步驟如下：
(1)將292.53g TC4粉和207.47g TiB2粉加入SM-QB行星式球磨機的球磨罐中，並按球料比為3:1加入磨球，助磨劑選用無水乙醇；在300r/min的轉速下，球磨0.5h，得到混合泥漿；將所述混合泥漿倒入真空旋轉蒸發儀中，在轉速為80r/min、水浴溫度為70℃條件下轉蒸0.5h，得到混合粉末前體；將混合粉末前體放入電熱恆溫鼓風乾燥箱中，於80℃下乾燥0.5h，得到混合粉末。
其中，磨球由質量比為1:1的大瑪瑙球和小瑪瑙球組成；所述大瑪瑙球的直徑為10mm，小瑪瑙球的直徑為5mm。
(2)500g混合粉末放入內徑為80mm的石墨模具中，再用石棉氈包裹石墨模具，放入放電等離子燒結系統中，設置爐腔內初始真空度<15Pa，初始壓力為0.5MPa，先以100℃/min的升溫速度升溫至1300℃，調節升溫速率為20℃/min，並同時加壓；待溫度升至1350℃，壓力達20MPa後，保溫保壓5min；關閉電流，先保持壓力不變，隨爐冷卻至900℃，卸除壓力，再隨爐冷卻至100℃，取出燒結後的陶瓷塊體，使用乙醇和去離子水清洗陶瓷的表面，得到本實施例所述TiB-TiB2複合陶瓷。
所述TiB-TiB2複合陶瓷中TiB的質量分數70％，實際密度為4.32g/cm3，理論密度為4.50g/cm3；如圖1所示，TiB-TiB2複合陶瓷的厚度為23mm，緻密度為96％；對所述TiB-TiB2複合陶瓷維氏硬度測量，300gf的試驗力下，保持10秒，得到維氏硬度值為17.2GPa。
本發明包括但不限於以上實施例，凡是在本發明精神的原則之下進行的任何等同替換或局部改進，都將視為在本發明的保護範圍之內。