一种Al3BC陶瓷材料及其制备方法和应用

本发明属于陶瓷材料领域，特别涉及一种al3bc陶瓷材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、al3bc为1985年在b4c/al复合材料中被首次发现的一种金属间化合物，其具有较高的硬度、弹性模量及压缩强度，因此被应用于铝基复合材料的增强颗粒，并取得了优异的强化效果。然而，由于al3bc制备上的困难，目前报道的相关文献及公开的发明专利均为低体积分数al3bc颗粒增强铝基复合材料，尚未见al3bc陶瓷材料及其制备方法的相关报道。

2、al3bc陶瓷具有较高的硬度、弹性模量及压缩强度，是一种重要的结构材料，有望应用于防弹陶瓷等领域。同时，al3bc是一种具有发展潜力的半导体材料，有望在热电领域取得应用。然而，目前并未有al3bc陶瓷材料及制备方法的公开。基于此技术背景，本发明专利公开了一种al3bc陶瓷材料及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种al3bc陶瓷材料，同时提供一种工艺简便、适合工业化生产的al3bc陶瓷材料的制备方法及其应用。

2、根据本发明的一方面，提供一种al3bc陶瓷材料。其特征在于，基于100wt%的所述al3bc陶瓷材料中，al3bc为主要相，还含有al或b4c的一种或两种，其中al3bc含量为90wt%~98wt%，b4c含量为0wt%~1.5wt%，al含量2wt%~10wt%。

3、可选地，所述al3bc陶瓷材料中的al3bc由al、硼质体及碳质体在热压烧结过程中原位反应合成。

4、可选地，al3bc晶粒平均尺寸<1μm。

5、根据本发明的另一方面，提供一种al3bc陶瓷材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

6、（1）将原材料粉末混合均匀，所述原材料包括铝粉、硼质体粉末及碳质体粉末；

7、（2）将上述混合均匀的原材料粉末加入球磨机中，以去离子水或酒精作为球磨介质，进行湿磨处理；

8、（3）将湿磨处理的粉末放入干燥箱进行干燥，将干燥后的粉末进行研磨、筛分；

9、（4）将筛分后的粉末放入热压模具中，进行三段式热压烧结，得到al3bc陶瓷。

10、可选地，所述硼质体粉末包括b4c、硼粉的一种或两种，所述碳质体粉末包括石墨粉、炭黑的一种或两种。

11、可选地，基于100wt%的原料，硼质体粉末的含量为9.0wt%~13.5wt%，碳质体粉末的含量为7.9wt%~11.7wt%，其余为铝粉。

12、可选地，硼质体粉末平均粒径<5µm，碳质体粉末平均粒径<5µm，铝粉平均粒径<20µm。

13、可选地，所述步骤（2）中球磨机转速为200~400r/min，球磨时间为16~32h。

14、可选地，所述步骤（3）中筛分得到的粉末粒度<50µm。

15、可选地，所述步骤（4）中三段式热压烧结包括：第一段热压烧结温度为550~650℃，烧结时间为1~2h，烧结压力为40~100mpa；第二段热压烧结温度为700~800℃，烧结时间为2~5h，烧结压力为30~60mpa；第三段热压烧结温度为900~1000℃，烧结时间为1~3h，烧结压力为30~60mpa。

16、本发明同时提供一种al3bc陶瓷材料的应用，所述al3bc陶瓷材料应用于防弹陶瓷领域。

17、相对于现有技术成果，本发明有以下有益效果。

18、本发明所述al3bc陶瓷材料中al3bc含量为90wt%~98wt%，b4c含量为0wt%~1.5wt%，al含量2wt%~10wt%，al相在陶瓷材料中起到烧结助剂的作用，有利于填充孔隙，提高al3bc陶瓷的致密度，同时起到粘结剂的作用，提高al3bc陶瓷的结合强度及塑韧性，b4c可进一步提高陶瓷材料强度及硬度。

19、本发明所述al3bc陶瓷材料中al3bc颗粒由al、硼质体及碳质体间的原位反应合成，al3bc晶粒形貌、含量、尺寸等微观组织可调控是其优势，另外，al3bc陶瓷颗粒原位反应合成温度较低，相较于传统陶瓷材料烧结温度大大降低，降低能源消耗的同时，保证al3bc陶瓷晶粒间的纯净，避免晶粒间存在氧化物杂质，同时，原位自生al3bc晶粒间原子结合，结合强度高，有利于提高其强度，al3bc晶粒平均尺寸<1μm，晶粒细小，有利于提高陶瓷材料强度及塑性。

20、根据本发明所述al3bc陶瓷的制备方法，所述硼质体粉末包括b4c、硼粉中的一种或两种，所述碳质体粉末包括石墨粉、炭黑的一种或两种，原材料选择性较广，原材料的种类对al3bc陶瓷微观组织具有调控作用。

21、根据本发明所述al3bc陶瓷的制备方法，所述硼质体粉末平均粒径<5µm，碳质体粉末平均粒径<5µm，铝粉平均粒径<20µm，较小的粉末尺寸，有利于降低al3bc合成反应激活能，促进al3bc原位合成。

22、根据本发明所述al3bc陶瓷的制备方法，所述步骤（2）中的球磨结束后，原材料粉末间实现部分合金化，降低原材料粉末间的距离，提高原材料粉末能量，促进原材料粉末发生原位反应，最终合成al3bc，湿磨处理可以保证降低原位反应激活能的同时，保证原材料粉末的分散性。

23、根据本发明所述al3bc陶瓷的制备方法，所述步骤（3）中筛分后的的粉末粒度<50µm，较小的粉末粒度有利于烧结过程中实现陶瓷材料的致密化。

24、根据本发明所述al3bc陶瓷的制备方法，所述步骤（4）中采用三段式热压烧结，三段式热压烧结工艺有益于提高al3bc陶瓷的致密度及al3bc的合成反应程度，获得更高强度的al3bc陶瓷，第一段热压烧结温度低于al3bc的合成反应温度，此时铝基体含量较高，有利于实现粉末的连接及致密化，第二段热压烧结，为al3bc原位合成阶段，较低的反应温度保证al3bc晶粒尺寸不致过度长大，第三段热压烧结则是提高烧结温度，进一步促进陶瓷材料的致密化。

25、本发明提供的al3bc陶瓷材料具有高硬度、高弹性模量、高强度及高抗冲击等性能优势，可应用于防弹陶瓷领域，具有较优异的防弹能力。

技术特征：

1.一种al3bc陶瓷材料，其特征在于，基于100wt%的所述al3bc陶瓷材料中，al3bc含量为90wt%~98wt%，b4c含量为0wt%~1.5wt%，al含量2wt%~10wt%。

2.根据权利要求1所述的一种al3bc陶瓷材料，其特征在于，所述al3bc陶瓷材料中的al3bc由al、硼质体及碳质体在热压烧结过程中原位反应合成。

3.根据权利要求1所述的一种al3bc陶瓷材料，其特征在于，所述al3bc陶瓷材料中al3bc晶粒平均尺寸<1μm。

4.一种根据权利要求1所述的al3bc陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种al3bc陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述硼质体粉末包括b4c、硼粉的一种或两种，所述碳质体粉末包括石墨粉、炭黑的一种或两种。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的一种al3bc陶瓷材料的制备方法，其特征在于，基于100wt%的原料，硼质体粉末的含量为9.0wt%~13.5wt%，碳质体粉末的含量为7.9wt%~11.7wt%，其余为铝粉。

7.根据权利要求4所述的一种al3bc陶瓷材料的制备方法，其特征在于，硼质体粉末平均粒径<5µm，碳质体粉末平均粒径<5µm，铝粉平均粒径<20µm。

8.根据权利要求4所述的一种al3bc陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中球磨机转速为200~400r/min，球磨时间为16~32h。

9.根据权利要求4所述的一种al3bc陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中三段式热压烧结包括：第一段热压烧结温度为550~650℃，烧结时间为1~2h，烧结压力为40~100mpa；第二段热压烧结温度为700~800℃，烧结时间为2~5h，烧结压力为30~60mpa；第三段热压烧结温度为900~1000℃，烧结时间为1~3h，烧结压力为30~60mpa。

10.一种根据权利要求1所述的al3bc陶瓷材料的应用，其特征在于，所述al3bc陶瓷材料应用于防弹陶瓷领域。

技术总结
本发明属于陶瓷材料领域，特别涉及一种Al<subgt;3</subgt;BC陶瓷材料及其制备方法和应用。本发明提供一种Al<subgt;3</subgt;BC陶瓷材料，其特征在于，基于100wt%的所述Al<subgt;3</subgt;BC陶瓷材料中，Al<subgt;3</subgt;BC含量为90wt%~98wt%，B<subgt;4</subgt;C含量为0wt%~1.5wt%，Al含量2wt%~10wt%。本发明同时提供了一种Al<subgt;3</subgt;BC陶瓷材料的制备方法：将原材料粉末混合均匀，所述原材料包括铝粉、硼质体粉末及碳质体粉末；将上述混合均匀的原材料粉末加入球磨机中，以去离子水或酒精作为球磨介质，进行湿磨处理；将湿磨处理的粉末放入干燥箱进行干燥，将干燥后的粉末进行研磨、筛分；将筛分后的粉末放入热压模具中，进行三段式热压烧结，得到Al<subgt;3</subgt;BC陶瓷。Al<subgt;3</subgt;BC陶瓷材料可应用于防弹陶瓷领域。

技术研发人员：马霞,赵永峰
受保护的技术使用者：山东理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15