一种硬度增强的镍/高熵二硼化物复合材料及其低温致密化的制备方法

本发明涉及陶瓷材料，具体涉及一种硬度增强的镍/高熵二硼化物复合材料及其低温致密化的制备方法。

背景技术：

1、高熵二硼化物陶瓷具有极高的硬度和模量，较低的热导率和良好的耐磨性、抗氧化性等优良性能，被认为是航空航天、高速切削等领域具有巨大应用前景的候选材料，2016年，gild等以过渡金属二硼化物粉末为原料，通过放电等离子烧结技术制备了六种单相的高熵二硼化物陶瓷，发现高熵二硼化物具有alb2型六方晶系和层状晶体结构，并在同等条件下合成了对应的过渡金属二硼化物，通过混合规则计算平均硬度后得出高熵二硼化物的硬度高于相应过渡金属二硼化物的平均性能，拥有更高力学性能的heb陶瓷被广泛关注(ceramics international,46(2019),24508-24514)。

2、即使拥有这些优异性能，但由于高熵二硼化物中较低的扩散系数和内部共价键的影响，其烧结温度通常高于2000℃，并且很难实现致密烧结，此外，过高的烧结温度会导致显著的晶粒粗化效应，对材料的硬度和强度性能造成影响。另一方面，liu等通过热压方法制备了高熵(ti0.2zr0.2hf0.2nb0.2ta0.2)b2，断裂韧性为3.81±0.40mpa m1/2，在加入20vol％sic后，断裂韧性也仅仅提高到4.85±0.33mpa m1/2(journal of the european ceramicsociety,41(2021),3189-3195)，高熵二硼化物陶瓷较差的断裂韧性使其不具备良好的可靠性，限制了其在各行各业中的广泛应用。

3、高熵陶瓷的优势之一就是能通过元素的优化实现性能的调控，但关于高熵二硼化物陶瓷成分优化的研究仍处于早期阶段，缺乏相关的理论支持。

4、本发明创作者通过添加烧结助剂达到了降低烧结温度，增强材料韧性的效果，并且采用晶格畸变因子预测了成分改变对硬度的影响，最终成功在低温下制得具有高强度高硬度高韧性的细晶镍/高熵二硼化物复合材料。

技术实现思路

1、本发明目的在于降低现有烧结方法的高温要求，改善高熵二硼化物复合材料的低断裂韧性，并为基于晶格常数畸变因子优化设计高硬度高熵二硼化物材料提出了相关依据，提供了一种硬度增强的镍/高熵二硼化物复合材料及其低温致密化的制备方法。

2、为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种可实现低温致密化和硬度增强的镍/高熵二硼化物复合材料，采用过渡金属二硼化物、镍粉作为起始粉末，按照计算所得计量比球磨混合均匀后，将经干燥的粉体采用放电等离子烧结炉进行烧结，得到所述硬度增强的镍/高熵二硼化物复合材料并计算晶格畸变因子。

4、优选地，所述过渡金属高熵二硼化物粉末包括hfb2、zrb2、tab2、tib2、meb2(meb2＝nbb2、wb2、vb2)七种粉末中的五种。

5、优选地，所述hfb2、zrb2、tab2、tib2、meb2(meb2＝nbb2、wb2、vb2)与镍粉的摩尔比为1:1:1:1:1:0.1。

6、优选地，所述hfb2、zrb2、tab2、tib2、meb2(meb2＝nbb2、wb2、vb2)与镍粉的纯度均为99.5％，粒径范围均为1-3μm。

7、优选地，所述球磨混合过程以无水乙醇为球磨介质，添加至完全浸没粉体。

8、优选地，所述球磨过程添加直径分别为10mm和5mm的两种玛瑙磨球进行研磨，磨球和粉末的质量比为2：1，在150rpm转速下混合均匀。

9、优选地，所述球磨机转速为150rpm，混合12h。

10、优选地，所述干燥过程将混合后的粉体使用旋转蒸发器收集，然后在70℃下烘干10h。

11、优选地，所述烧结条件为真空，烧结温度为1500-1800℃，同时加压30-50mpa，保温时间为5-10min。

12、优选地，所述晶格常数畸变因子通过以下公式进行计算：式中xi表示某一组分的摩尔含量，ai和ci是某一组分对应二硼化物的晶格常数，和分别代表五种组分对应二硼化物晶格常数的平均值。

13、与现有技术比较本发明的有益效果在于：

14、1、本发明采用镍作为金属粘结相，在烧结过程中能形成液相，显著降低了烧结温度，有效促进了高熵二硼化物的低温致密化，同时由于较低的烧结温度，晶粒的尺寸也控制在5um以内(附图2所示)。

15、2、本发明的硬度增强的镍/高熵二硼化物复合材料中过渡金属在高熵二硼化物相中均匀分布，镍则主要分布于晶界，填充了高熵二硼化物晶粒内的孔隙，具有更为精细的微观结构，相较于同组分单相高熵二硼化物陶瓷，强度和断裂韧性得到提升。

16、3、本发明制备的复合材料中，镍的加入使复合材料的内部裂纹在扩展过程中表现出一定程度的偏转。这种在应力作用下的轻微变形有效地分散了应力，减缓了裂纹的扩展速率，从而提高了材料的断裂韧性(附图3所示)。

17、4、本发明采用晶格畸变因子预测了成分改变后对硬度的影响，并通过实验验证了随着充分优化、晶格畸变因子增大后，复合材料的硬度也随之提升(附图4所示)，从而为提升高熵二硼化物复合材料硬度提供了成分设计的依据。

18、5、本发明制备的成分优化后的镍/高熵二硼化物复合材料表现出优异的综合力学性能，硬度、断裂韧性和弯曲强度分别为23.4±0.7gpa、7.29±0.32mpa m1/2和618.81±68gpa。显著高于未进行成分优化的单相高熵二硼化物陶瓷(硬度＝18.1±1.0gpa，断裂韧性＝4.70±0.27mpa m1/2，弯曲强度＝376±25gpa)，表明本发明制备的镍/高熵二硼化物复合材料具备高硬度、高韧性、高强度的特点。

技术特征：

1.一种可低温致密化且具备高硬度高强度和高断裂韧性的高熵二硼化物陶瓷，其特征在于，包括以下原料：过渡金属高熵二硼化物粉末、镍粉，所述过渡金属高熵二硼化物粉末包括hfb2、zrb2、tab2、tib2、meb2(meb2＝nbb2、wb2、vb2)七种粉末中的五种，所述hfb2、zrb2、tab2、tib2、meb2(meb2＝nbb2、wb2、vb2)与镍粉的摩尔比为1:1:1:1:1:(0.05-0.2)，所述粉末的纯度均为99.5％，粒径范围均为1-3μm。

2.如权利要求1所述的一种镍/高熵二硼化物陶瓷，其特征在于，硬度增强方法为计算采用三种nbb2、wb2、vb2不同二硼化物后的晶格畸变因子，增大晶格畸变因子后高熵二硼化物陶瓷的硬度显著增加。

3.一种如权利要求1、2任一项所述的高熵二硼化物-碳化硼复相陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体涉及一种硬度增强的镍/高熵二硼化物复合材料及其低温致密化的制备方法。该复合材料采用HfB<subgt;2</subgt;、ZrB<subgt;2</subgt;、TaB<subgt;2</subgt;、TiB<subgt;2</subgt;、MeB<subgt;2</subgt;(MeB<subgt;2</subgt;＝NbB<subgt;2</subgt;、WB<subgt;2</subgt;、VB<subgt;2</subgt;)与镍粉作为起始原料并且摩尔比为1:1:1:1:1:0.1，将称取的原料粉末球磨混合并干燥，将经干燥的粉体采用放电等离子烧结炉进行烧结，分别计算采用不同MeB<subgt;2</subgt;原料的材料的晶格畸变因子，得到所述硬度增强的镍/高熵二硼化物复合材料。本发明通过添加烧结助剂达到了降低烧结温度，增强材料韧性的效果，并且采用晶格畸变因子预测了成分改变对硬度的影响，能够在低温下制得具有高强度高硬度高韧性的镍/高熵二硼化物复合材料。

技术研发人员：张朝晖,程兴旺,李文俊,孙元昊,王强,周金朝
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/13