CN109928400B - 一种无粘接剂的纳米聚晶一硼化钛块体材料的制备方法 - Google Patents
一种无粘接剂的纳米聚晶一硼化钛块体材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的一种无粘接剂的纳米聚晶一硼化钛块体材料的制备方法属于硬质导体纳米块体材料制备的技术领域，以纳米c‑TiB粉末为原料，首先对原料进行真空干燥处理，然后将原料在大于或等于3Gpa压力下1000K温度烧结30分钟，之后冷却卸压，得到纳米聚晶一硼化钛块体材。本发明在不使用粘接剂的情况下，利用高温高压烧结方法，制备出高性能的纳米聚晶块体材料，制备的材料致密高硬度高，本发明不仅对提高c‑TiB的硬度有意义，而且对制备其他无粘接剂的高致密纳米体材料有重要参考价值。
Description
技术领域
本发明属于硬质导体纳米块体材料制备的技术领域，涉及无粘接剂纳米聚晶立方一硼化钛(c-TiB)块体材料的制备方法。
背景技术
纳米聚晶块体材料由于具备高致密性和高晶界密度、表现出高强度和韧性而备受关注。然而，在硬质合金材料料中，制备高致密的纳米块体材料比较困难。因为纳米材料的脆性随着晶粒尺寸的减小而增加，粒径越小，烧结体的致密性越低。传统的无压高温烧结、微波烧结、等离子体活化烧结等制备纳米块体材料方法中，由于烧结温度较高，导致晶粒在烧结过程中快速长大，达到微米或亚微米尺寸，难以获得纳米级块体材料。此外，目前纳米级粒径的硬质合金材料一般多为粉末。传统低温制备纳米级块体硬质合金材料，则需要加入金属粘接剂。然而，粘接剂的使用不仅引入了金属杂质，导致纳米块体材料的力学性能大幅度降低，难以获得力学性能优异的纳米聚晶硬质合金块体材料。另一方面，根据霍尔佩奇效应，通过缩小晶粒尺寸来制备纳米聚晶硬质合金，将会增加其晶界密度，不仅可以保持优异的功能特性，同时有效的提高材料的硬度和韧性。因此，寻找无粘接剂的高致密纳米块体材料制备方法有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的不足，不使用粘接剂，采用高温高压合成方法制备纳米聚晶c-TiB块体材料。该方法以纳米c-TiB粉末为原料，在不添加粘接剂的前提下，通过真空干燥处理和温度压力调节，制备出纳米聚晶c-TiB块体材料。
本发明的具体技术方案如下所述。
一种无粘接剂的纳米聚晶一硼化钛块体材料的制备方法，步骤为：以纳米c-TiB粉末为原料，首先对原料进行真空干燥处理，然后将原料在大于或等于3Gpa压力下1000K温度烧结30分钟，之后冷却卸压，得到纳米聚晶一硼化钛块体材。
本发明中，在将原料进行烧结之前，优选进行真空干燥处理，具体是在真空环境下，200℃干燥5小时；
本发明所述的冷却卸压，是停止通电加热后，组装块自然冷却至常温，然后卸压。
在本发明中，烧结时压力范围优选5GPa～20GPa。
本发明的实验3～5Gpa压力可以在国产SPD6x600型六面顶压机上完成。大于5Gpa的实验使用Walker大体积多级压砧实验装置。
本发明选择广泛应用于工业中的复合材料、防护涂层等方面的硬质合金立方一硼化钛(c-TiB)，在不使用粘接剂的情况下，利用高温高压烧结方法，在高压下有效抑制烧结过程中晶粒长大，制备出高性能的纳米聚晶块体材料。本发明不仅对提高c-TiB的硬度有意义，而且对制备其他无粘接剂的高致密纳米体材料有重要参考价值。
综上，本发明有以下有益效果：
1、本发明不使用粘接剂，避免了粘接剂对材料性能的不利影响；
2、本发明采用高温高压方法有效提高了纳米聚晶c-TiB的致密性和硬度；
3、本发明优选的方案通过对原料进行真空干燥前期处理，进一步提高了样品的致密性。
附图说明
图1是实施例1、2中高温高压烧结的纳米聚晶c-TiB的X光衍射图。
图2是实施例1中高温高压烧结的纳米聚晶c-TiB的SEM图。
图3是实施例3中高温高压烧结的纳米聚晶c-TiB的X光衍射图。
图4是实施例1～3中高温高压烧结的纳米聚晶c-TiB的维氏硬度图。
图5是实施例5中通过谢乐公式计算的纳米聚晶c-TiB粒径与烧结压力关系图。
具体实施方式
实施例1
采用纳米c-TiB粉末为原料。在200℃的温度下真空干燥5h，对原料进行预处理。不添加任何粘接剂将原料粉压成圆柱状，使用六面顶液压机在5GPa压力下，1000K，保温保压30分钟。使用Walker压机在压力10GPa、15GPa、20GPa，温度1000K，保温保压30分钟。制得纳米聚晶c-TiB块体样品。具体的X光衍射结果见图1。对制备的样品进行扫描电子显微镜SEM测试，如图2所示。可以看出所制备的样品均为纳米颗粒，且随烧结压力增加，样品的粒径减小。(本实施例中5GPa、10GPa、15GPa、20GPa下的实验结果是本发明的最佳实施例)
实施例2
采用实施例1的原料和预处理条件，与实施例1相同的组装，将原料在压力3GPa，温度1000K，保温保压30分钟。制得纳米聚晶c-TiB块体样品。具体的X光衍射见图1中3GPa压力下的结果。与实施例1比较发现，当烧结压力低于5GPa时，样品致密性稍差，硬度降低。
实施例3
采用实施例1的原料，不进行真空干燥处理，与实施例1相同的组装，将原料在压力3GPa、5GPa和19GPa，温度1000K，保温保压30分钟。制得纳米聚晶c-TiB块体样品。具体的X光衍射结果见图3。与实施例1比较发现，当未对原料进行真空干燥处理时，样品致密性稍差，粒径较大，硬度降低。
实施例4
采用实施例1、2和3制得的样品，采用维氏显微硬度仪进行硬度测试。结果表明，随烧结压力增加样品硬度值逐渐提高。同等压力温度条件下，原料经过真空干燥处理的样品，其硬度明显提高。具体硬度结果见图4。
实施例5
采用实施例1、2和3制得的样品的X光衍射结果，通过谢乐公式
分别计算样品的晶粒大小。结果表明，样品均为纳米颗粒，粒径大小范围在10～30纳米，且随烧结压力的增加粒径减小，其原因是更高的压力使晶粒碎化加剧，且高压抑制了晶粒的再生长，使得样品的晶粒减小。具体计算结果见图5。
通过以上实施例可以看出，无粘接剂高温高压烧结是制备高致密纳米级块体材料的有效方法。烧结压力和原料真空预处理是影响材料粒径大小、致密性和硬度的重要因素。由实施例1～5可以看出，随烧结压力增加，材料粒径减小，致密性提高，硬度增加。
Claims (4)
1.一种无粘接剂的纳米聚晶一硼化钛块体材料的制备方法，步骤为：以纳米c-TiB粉末为原料，首先对原料进行真空干燥处理，然后将原料在大于或等于3Gpa压力下1000K温度烧结30分钟，之后冷却卸压，得到纳米聚晶一硼化钛块体材。
2.根据权利要求1所述的一种无粘接剂的纳米聚晶一硼化钛块体材料的制备方法，其特征在于，在将原料进行烧结之前，还进行真空干燥处理，具体是在真空环境下，200℃干燥5小时。
3.根据权利要求1所述的一种无粘接剂的纳米聚晶一硼化钛块体材料的制备方法，其特征在于，所述的冷却卸压，是停止通电加热后，组装块自然冷却至常温，然后卸压。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种无粘接剂的纳米聚晶一硼化钛块体材料的制备方法，其特征在于，烧结时压力范围为5GPa～20GPa。
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