專利名稱：高韌性Al的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高韌性Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復(fù)合材料及其熱壓制備方法，屬于陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
有關(guān)陶瓷材料的增韌一直是陶瓷材料界研究的熱點(diǎn)問題之一。近些年來，人們從天然材料的研究中得到啟示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、貝殼珍珠層等，它們通過不同組分和特殊結(jié)構(gòu)的精細(xì)組合，賦予了非常好的韌性和綜合性能。層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料就是通過模仿貝殼珍珠層的層狀結(jié)構(gòu)來對(duì)陶瓷材料進(jìn)行增韌。自從1990年W.J.Clegg等人[文獻(xiàn)1Nature，1990，347445～447]報(bào)道了SiC/C層狀陶瓷并獲得成功以后，層狀結(jié)構(gòu)增韌就成為陶瓷材料中一種有效的增韌手段，并成為了新的研究熱點(diǎn)之一。通過在陶瓷材料中引入層狀結(jié)構(gòu)，使得陶瓷材料在受力斷裂時(shí)裂紋能在層間反復(fù)偏轉(zhuǎn)，增加了裂紋擴(kuò)展的阻力，從而大大增加斷裂功，大大提高斷裂韌性。
根據(jù)層狀結(jié)構(gòu)的界面結(jié)合的強(qiáng)弱，對(duì)層狀結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料的研究可以大致分為兩類弱結(jié)合界面和強(qiáng)結(jié)合界面。一是主要通過層狀材料中較弱的分隔層或較弱的層間界面，使裂紋在擴(kuò)展到分隔層時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而引發(fā)大量的增韌機(jī)制，消耗大量的能量，最終達(dá)到提高陶瓷材料韌性的目的。這一方面的主要研究體系包括Si3N4/BN體系[文獻(xiàn)2J.Am.Ceram.Soc.，2002，85[10]2452-61]、SiC/C體系[文獻(xiàn)1]等。這類材料相對(duì)于基體塊體材料來說，斷裂韌性提高非常明顯，可提高幾倍，斷裂功也可提高數(shù)十倍、乃至上百倍，但是因界面層較弱，往往降低了材料的強(qiáng)度。另一類是強(qiáng)界面結(jié)合的層狀結(jié)構(gòu)材料，如Al2O3/ZTA等[文獻(xiàn)3J.Eur.Ceram.Soc.，1999，19255～262]，主要是利用分隔層與基體層之間的熱失配，在燒結(jié)后冷卻過程中形成有利于裂紋發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)的殘余應(yīng)力狀態(tài)，從而增加斷裂功和斷裂韌性。這一類材料的增韌效果雖然不如弱結(jié)合界面的明顯，而且由于高溫下殘余應(yīng)力的釋放而導(dǎo)致高溫性能較差，但是由于分隔層與基體層之間界面結(jié)合較強(qiáng)，而使材料保持了較高的強(qiáng)度。
在本發(fā)明制備的Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復(fù)合材料中，同時(shí)引入了上述兩種裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制，使材料的強(qiáng)度與韌性均達(dá)到了較高的水平。鑒于目前市場(chǎng)尚無成品的Ti3SiC2粉料出售，本發(fā)明提供了一種原位熱壓制備Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復(fù)合材料的簡(jiǎn)單方法。
本發(fā)明提出的高韌性Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料由基體層和分隔層組成，所述基體層的原料及配比為，Al2O3(85～100)wt％；助燒劑(0～15)wt％ [(0～10)％MgO+(0～10)％SiO2+(0～10)％Al2O3]的熔融體；所述分隔層的原料及配比為，Ti∶Si∶C(活性炭粉)＝3∶(0.8～2.0)∶(0～1.2)(摩爾比)助熔劑CaF2(0～10)wt％。
本發(fā)明提出的高韌性Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復(fù)合材料的熱壓制備方法，其特征在于所述熱壓制備方法依次為(1)按上述配方稱量基體層原料，球磨，出料后烘干、過篩，得到混合的基體層粉料；(2)按上述配方稱量分隔層粉料，球磨，出料后烘干、過篩，得到混合的分隔層粉料；(3)將步驟(1)和(2)獲得的基體層和分隔層陶瓷粉體分別按比例與成型助劑進(jìn)行攪拌混合，然后在軋膜機(jī)上進(jìn)行練泥，直至獲得塑性良好的可塑泥團(tuán)，泥團(tuán)含水率在10～25％，并將泥團(tuán)在密封狀態(tài)下陳腐，然后用軋膜機(jī)對(duì)可塑泥團(tuán)進(jìn)行反復(fù)軋制，軋成厚度為0.08～1mm的薄片；(4)將步驟(3)軋膜得到的兩種坯片平行交替疊層或按一定的方式排列，放入石墨模具中；(5)將裝有坯體的模具在空氣氣氛下，先以＜5℃/分鐘的速度慢速升溫至300～450℃，保溫2～4小時(shí)進(jìn)行排膠處理，待有機(jī)物完全排盡后，施加5～10MPa的壓力進(jìn)行冷壓，之后置于有氬氣氣氛的熱壓燒結(jié)爐中熱壓燒結(jié)，升溫速率為(5～20)℃/min，燒結(jié)溫度為(1500～1650)℃，保溫時(shí)間(1～4)小時(shí)，并在燒結(jié)過程中施加(15～40)MPa的壓力。
在上述熱壓制備方法中，步驟(3)所述成型助劑為粘合劑、增塑劑和潤滑劑，其中粘結(jié)劑采用PVA30wt％水溶液，增塑劑采用甘油，潤滑劑采用液體石蠟。
在上述熱壓制備方法中，步驟(3)所述基體層陶瓷粉體與成型助劑的比例為陶瓷粉∶粘結(jié)劑∶增塑劑∶潤滑劑＝100∶(20～30)∶(2～5)∶(2～5)。
在上述熱壓制備方法中，步驟(3)所述分隔層陶瓷粉體與成型助劑比例為陶瓷粉∶粘結(jié)劑∶增塑劑∶潤滑劑＝100∶(20～40)∶(2.5～6)∶(2.5～6)。
本發(fā)明通過上述原位熱壓燒結(jié)法制出了Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復(fù)合材料，其中Ti3SiC2層與Al2O3層的厚度比為(0.1～1.2)。在燒結(jié)過程中由于Ti3SiC2層中產(chǎn)生了富Si的液相，且在燒結(jié)溫度下會(huì)發(fā)生揮發(fā)和擴(kuò)散，因此Ti3SiC2層中含有一定量的TiC，這些TiC的存在改變了材料中的殘余應(yīng)力，再加上兩種層間的界面不是很強(qiáng)，因此裂紋可以在層間界面上發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)并在界面上擴(kuò)展，因此在材料受力開裂時(shí)對(duì)裂紋進(jìn)行反復(fù)偏折、使裂紋尖端鈍化、造成兩種片層相對(duì)裂紋的橋接和拔出等，從而大大降低陶瓷材料對(duì)裂紋的敏感性并有效地提高韌性。同時(shí)，殘余應(yīng)力的存在，使得復(fù)合材料中Ti3SiC2層抵抗破壞的能力增加，因此材料的強(qiáng)度不僅沒有降低，而且還有所提高。所制備的材料具有較好的力學(xué)性能斷裂韌性＞9～15MPa·m1/2，抗彎強(qiáng)度為300～700MPa，斷裂功1500～3000J/m2，并且材料的載荷-位移曲線顯示出非脆性破壞的特性。
本發(fā)明所制備的層狀陶瓷復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，可用于航天飛機(jī)、防彈裝甲、輸送管道等部件的表面材料以及一些結(jié)構(gòu)零部件的材料，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
(3)按(1)中分隔層配方稱量分隔層粉料?；旌戏椒ㄍ?。
(4)成型工藝陶瓷粉料與成型助劑混練基體層和分隔層的成型均采用軋膜法，加入粘合劑、增塑劑和潤滑劑為成型助劑。粘結(jié)劑采用PVA30wt％水溶液，采用甘油為增塑劑，采用液體石蠟為潤滑劑。具體加入量如下基體層陶瓷粉∶粘結(jié)劑∶增塑劑∶潤滑劑＝100∶(20～30)∶(2～5)∶(2～5)分隔層陶瓷粉∶粘結(jié)劑∶增塑劑∶潤滑劑＝100∶(20～40)∶(2.5～6)∶(2.5～6)坯體層片的成型將(2)和(3)中獲得的陶瓷粉體分別按上述配方與成型助劑進(jìn)行攪拌混合，然后在軋膜機(jī)上進(jìn)行練泥，直至獲得塑性良好的可塑泥團(tuán)，泥團(tuán)含水率在10～25％。并將泥團(tuán)在密封狀態(tài)下陳腐12～24小時(shí)，然后用軋膜機(jī)對(duì)可塑泥團(tuán)進(jìn)行反復(fù)軋制，軋成厚度為0.08～1mm的薄片。
疊層將軋膜得到的兩種坯片平行交替疊層或按一定的方式排列，放入石墨模具中。
(5)排膠和燒結(jié)將裝有坯體的模具在空氣氣氛下，先慢速升溫(＜5℃/分鐘)至300～450℃，保溫2～4小時(shí)進(jìn)行排膠處理，待有機(jī)物完全排盡后，施加5～10MPa的壓力進(jìn)行冷壓。之后置于有氨氣氣氛的熱壓燒結(jié)路中熱壓燒結(jié)，升溫速率為(5～20)℃/min，燒結(jié)溫度為(1500～1650)℃，保溫時(shí)間(1～4)小時(shí)，并在燒結(jié)過程中施加(15～40)MPa的壓力。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述
權(quán)利要求
1.高韌性Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復(fù)合材料，其特征在于該復(fù)合材料由基體層和分隔層組成，所述基體層的原料及配比為，Al2O3(85～100)wt％；助燒劑(0～15)wt％ [(0～10)％MgO+(0～10)％SiO2+(0～10)％Al2O3]的熔融體；所述分隔層的原料及配比為，Ti∶Si∶C(活性炭粉)＝3∶(0.8～2.0)∶(0～1.2)(摩爾比)，助熔劑CaF2(0～10)wt％。
2.按照權(quán)利要求1所述的高韌性Al2O3/Ti3SiC2層狀陶瓷復(fù)合材料的熱壓制備方法，其特征在于所述熱壓制備方法依次為(1)按上述配方稱量基體層原料，球磨，出料后烘干、過篩，得到混合的基體層粉料；(2)按上述配方稱量分隔層粉料，球磨，出料后烘干、過篩，得到混合的分隔層粉料；(3)將步驟(1)和(2)獲得的基體層和分隔層陶瓷粉體分別按比例與成型助劑進(jìn)行攪拌混合，然后在軋膜機(jī)上進(jìn)行練泥，直至獲得塑性良好的可塑泥團(tuán)，泥團(tuán)含水率在10～25％，并將泥團(tuán)在密封狀態(tài)下陳腐，然后用軋膜機(jī)對(duì)可塑泥團(tuán)進(jìn)行反復(fù)軋制，軋成厚度為0.08～1mm的薄片；(4)將步驟(3)軋膜得到的兩種坯片平行交替疊層或按一定的方式排列，放入石墨模具中；(5)將裝有坯體的模具在空氣氣氛下，先以＜5℃/分鐘的速度慢速升溫至300～450℃，保溫2～4小時(shí)進(jìn)行排膠處理，待有機(jī)物完全排盡后，施加5～10MPa的壓力進(jìn)行冷壓，之后置于有氬氣氣氛的熱壓燒結(jié)爐中熱壓燒結(jié)，升溫速率為(5～20)℃/min，燒結(jié)溫度為(1500～1650)℃，保溫時(shí)間(1～4)小時(shí)，并在燒結(jié)過程中施加(15～40)MPa的壓力。
3.按照權(quán)利要求2所述的熱壓制備方法，其特征在于步驟(3)所述成型助劑為粘合劑、增塑劑和潤滑劑，其中粘結(jié)劑采用PVA30wt％水溶液，增塑劑采用甘油，潤滑劑采用液體石蠟。
4.按照權(quán)利要求2或3所述的熱壓制備方法，其特征在于步驟(3)所述基體層陶瓷粉體與成型助劑的比例為陶瓷粉∶粘結(jié)劑∶增塑劑∶潤滑劑＝100∶(20～30)∶(2～5)∶(2～5)。
5.按照權(quán)利要求2或3所述的熱壓制備方法，其特征在于步驟(3)所述分隔層陶瓷粉體與成型助劑比例為陶瓷粉∶粘結(jié)劑∶增塑劑∶潤滑劑＝100∶(20～40)∶(2.5～6)∶(2.5～6)。
全文摘要
高韌性Al
文檔編號(hào)C04B35/63GK1477081SQ0314639
公開日2004年2月25日 申請(qǐng)日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
發(fā)明者汪長安, 昝青峰, 趙世柯, 黃勇 申請(qǐng)人:清華大學(xué)