СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ КАРБИДА БОРА
METHOD FOR OBTAINING CERAMIC MATERIAL BASED ON BORON CARBIDE

1. Область техники
Изобретение относится к способу получения керамического материала на основе карбида бора. Материал может быть использован для изготовления пластин для бронежилетов, а также различных компонент изделий, требующих повышенную твердость при высоких температурах.
2. Предпосылки для создания изобретения
4
4
10
4
2
3
3
2
2
3
2
3
2
2
2
2
5
2
2
3
Известно, что спекание карбида бора (стехиометрическое соотношение около ВС) без добавок требует высоких температур 2100-2200°С при давлении 0,3-0,4 ГПа (F. Thevenot, J. Euro. Ceram. Soc. 6 (1990) 205-225, F. Thevenot, Key Eng. Mater. 56-57 (1991) 59-88). Изменение стехиометрии в пределах ВС - ВС снижает температуру спекания на 100°С (до 2000-2100°С), ухудшая при этом механические свойства. В промышленности используют преимущественно карбид бора в стехиометрии ВС (Francois Thevenot. Boron Carbide A Comprehensive Review. Journal of the European Ceramic Society 6 (1990) 205-225). Для снижения температуры спекания (патенты США 2013/0288879 (31.10.2013 С04В 35/563), 4320204 (16.03.1982 С04В 35/56), 4104062 (01.08.1978 B22F 3/00), Journal of the European Ceramic Society 6 (1990) 205-225) используют многочисленные добавки. В частности, в случае горячего прессования используют чистые элементы, например Mg, Al, V, Cr, Fe, Со, Ni, Cu, Si и Ti, и соединения, например стекло, BN, MgO, AlO, Mg(NO), FeO, MgF и AlF. Для спекания при атмосферном давлении предварительно спрессованных образцов используют такие добавки, как Cr, Со, Ni, Al, Mg, TiB, CrB, Al, SiC, BeC, SiC+Al, В+С, В+Si WB, TiB+C, TiB, AlF. Добавки позволяют снизить температуру спекания до 1800-2200°С.
4
В патенте США 4320204 (16.03.1982 С04В 35/56) при спекании карбида бора ВС были использованы добавки SiC и Al. Образец спекали при температурах 2050-2200°С при атмосферном давлении, и плотность спеченных образцов составляет 94% от теоретической плотности.
Существенным недостатком существующих способов спекания карбида бора является высокая температура спекания, которую трудно достичь в существующих аппаратах высокого (больше 2 ГПа) давления, а в случае спекания при низких давлениях образцы получаются с высокой пористостью (4-6%), что существенно ухудшает механические свойства керамики.
Наиболее близким аналогом изобретения является патент RU 2556673, в котором использовался материал на основе карбида бора от 30 до 70 мас. %, фуллерен С60 и сероуглерод в качестве катализатора. Где сероуглерод добавлялся из расчета 0,05 мл на 1 г шихты.
Недостатком данного способа является использование в качестве элемента шихты фуллерена C60, поскольку на сегодняшний момент производство фуллерена является дорогостоящим.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретение является создание керамического материала на основе карбида бора с низкой (1-2%) пористостью и понижение (ниже 1000°С) температуры спекания.
2
С этой целью предложен способ получения керамического материала на основе карбида бора, включающий воздействие на карбид бора давлением и температурой, при этом в карбид бора добавляют сероуглерод CS, а воздействие ведут при температуре 800-1000 градусов и давлении 2-5 ГПа. Предпочтительно, что сероуглерод добавляют в количестве от 0,1 до 3 массовых % от массы карбида бора.
В своих исследованиях авторы использовали следующие известные методики.
Для характеристики структуры полученных образцов использовали известный метод рентгенофазового исследования.
Плотность образцов измеряли известным методом гидростатического взвешивания.
Пример 1. Получение керамического материала в соответствии с изобретением.
2
В порошок карбида бора добавляют сероуглерод CS в количестве 0,1 массовых % от массы карбида бора. Затем смесь в количестве 2 г загружают в камеру высокого давления типа наковальня с лункой, нагружают до фиксированного давления 5 ГПа и нагревают до температуры 1000°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки исследуют структуру и плотность образцов.
4
4
4
3
3
Рентгенофазовый анализ показывает, что исходный материал ВС и полученные образцы состоят из карбида бора ВС. Плотность образцов равна 2,50 г/см, что соответствует 1% пористости (плотность монокристаллического ВС составляет 2,52 г/см).
Пример 2. Получение керамического материала в соответствии с изобретением.
2
В порошок карбида бора добавляют сероуглерод CS в количестве 0,1 массовых % от массы карбида бора. Затем смесь в количестве 2 г загружают в камеру высокого давления типа наковальня с лункой, нагружают до фиксированного давления 2 ГПа и нагревают до температуры 800°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки исследуют структуру керамического материала и плотность образцов.
4
4
4
3
3
Рентгенофазовый анализ показывает, что исходный материал ВС и полученные образцы состоят из карбида бора ВС. Плотность образцов равна 2,48 г/см, что соответствует 2% пористости (плотность монокристаллического ВС составляет 2,52 г/см).
Пример 3. Получение керамического материала в соответствии с изобретением.
2
В порошок карбида бора добавляют сероуглерод CS в количестве 3 массовых % от массы карбида бора. Затем смесь в количестве 2 г загружают в камеру высокого давления типа наковальня с лункой, нагружают до фиксированного давления 5 ГПа и нагревают до температуры 1000°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки исследуют структуру и плотность образцов.
4
4
4
3
3
Рентгенофазовый анализ показывает, что исходный материал ВС и полученные образцы состоят из карбида бора ВС. Плотность образцов равна 2,50 г/см, что соответствует 1% пористости (плотность монокристаллического ВС составляет 2,52 г/см).