專利名稱：ZrB₂/SiC/Zr-Al-C陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷領(lǐng)域，特別是一種&B2/SiCAr-Al-C超高溫陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
超高溫陶瓷在航天航空、軍事等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，特別是超高溫飛行器的機(jī)翼前緣，頭錐，引擎等需要承受2000° C以上超高溫的部位，只有超高溫陶瓷才可勝任。 ^B2-SiC是目前認(rèn)為最有望應(yīng)用的超高溫復(fù)合材料體系，但是，ZrB2-SiC陶瓷韌性不高。目前對其增韌多是采用纖維，如SiC纖維，石墨纖維或者碳納米管等來增韌，如加入 SiCw, SPS燒結(jié)韌性可達(dá)6. 8IMPam172,加入20vol%石墨短纖維，熱壓燒結(jié)后韌性可達(dá)6. 56 MPa · m"2，此外有學(xué)者用具有層狀結(jié)構(gòu)的Ti3SiC2來增韌Al2O3陶瓷。Hailong Wang (Journal of the American Ceramic Society，90，1992，2007)等人利用納米SiCw，1550° C時(shí)，SPS燒結(jié)后樣品的斷裂韌性增加到6. SIMPam"2。若通過摻入燒結(jié)助劑Si3N4和AlN后斷裂韌性也得到很大的提高。Xinghong Zhang (Journal of Alloys and Compounds, 466， 241， 2008)等人禾Ij 用SPS和熱壓分別摻入SiCw燒結(jié)，其斷裂韌性得到明顯提高。Feiyu Yang (Materials Letters, 62, 2925, 2008)等人在 ZrB2_20vol%SiC 化合物中摻入20vol%石墨短纖維，通過熱壓在2000° C，30MPa，保溫lh，燒結(jié)出致密復(fù)相陶瓷，斷裂韌性達(dá)到6. 56 MPa · m1/2，相比直接燒結(jié)&B2-20vol%SiC化合物得到的斷裂韌性提高了 54% οWuBian Tian(Materials Science and Engineering A, 487，568，2008)等人在 &B2-20vol%SiC化合物中摻入2 丨％碳納米管，通過熱壓在1900° C，30MPa，保溫lh，燒結(jié)出復(fù)相陶瓷，其韌性比未加入碳納米管時(shí)提高了 15%，其斷裂韌性達(dá)到4. 6士0. 6MPa · m1氣Qiang Liu (Scripta Materialia, 61，690，2009)等人在 ZrB2 中摻入 20vol% 納米 SiC顆粒，在1900° C通過熱壓燒結(jié)后斷裂韌性可以達(dá)到6. 5士0. 3 MPa · m1/20經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研，目前還沒有報(bào)道過利用&-A1-C三元化合物來提高^B2-SiC基超高溫陶瓷的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對^B2-SiC超高溫陶瓷脆性大的缺陷，制備 ZrB2/SiC/Zr-Al-C復(fù)合體系。利用&-A1-C化合物的層狀結(jié)構(gòu)，及其與形成的特殊微觀包裹結(jié)構(gòu)，通過改變裂紋走向等實(shí)現(xiàn)增加裂紋擴(kuò)展能，達(dá)到提高韌性的目的。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案
本發(fā)明提供的&B2/SiCAr-Al-C陶瓷的制備方法，其包括以下步驟 (1)混合粉體的制備
所用原料為Zr、Al及其合金包裹的粉體、SiC和C，原料中各物質(zhì)的含量為Zr、Al 包裹的粉體的量為83. 5-87. 6wt%，其中rLx所占包裹的粉體含量為2. 5-16. 2wt%,Al所占包裹的粉體含量為2. 2-14. 0wt%，SiC所占混合粉體含量為11. 7-12. 3wt%，C所占混合粉體含量為0. 7-4. 2wt%，將上述原料采用球磨混合均勻，得到混合均勻粉體； (2)燒結(jié)
稱取混合均勻粉體裝入石墨模具中，在1600° C-1900。C溫度燒結(jié)，燒結(jié)壓力為 0-30MPa，得到致密的 &B2/SiC/Zr-Al-C 陶瓷。起始原料中金屬ττ占包裹粉體的含量可以為16. 2wt%。起始原料中金屬Al占包裹粉體的含量可以為14. 0wt%。起始原料中C的含量可以為4. 2wt%。所述燒結(jié)溫度可以為1700° C-1800。C，燒結(jié)壓力可以為10_20MPa。所述燒結(jié)溫度優(yōu)選為1900° C，燒結(jié)壓力優(yōu)選為30MPa。本發(fā)明的機(jī)理是利用Zr、Al及其化合物包裹粉體為原料，通過與SiC和C 的混合，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)。通過&、A1、C的原位反應(yīng)合成出&-A1-C化合物，使得所制備的復(fù)相陶瓷中具有&-A1-C層狀化合物包裹結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)增韌的效果。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要的優(yōu)點(diǎn)
本方法可以通過原位反應(yīng)合成具有層狀結(jié)構(gòu)的&-A1-C化合物，利用層狀結(jié)構(gòu)的高韌性和特殊的包裹結(jié)構(gòu)增韌效果及復(fù)合增韌來達(dá)到進(jìn)一步提高^B2-SiC超高溫陶瓷的韌性。 燒結(jié)后獲得致密的&B2/SiCAr-Al-C復(fù)相陶瓷，且韌性比在同樣條件下制備的^B2-SiC陶瓷有明顯提高。本方法具備工藝簡單，合成燒結(jié)一步完成的特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的制備工藝流程圖。圖2是實(shí)施例2燒結(jié)后試樣的X射線衍射圖。圖3是實(shí)施例2燒結(jié)后試樣的平面的背散射電子圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不僅僅局限于下面的實(shí)施例。實(shí)施例1
如圖1所示一種&B2/SiCAr-Al-C陶瓷的制備方法。包括如下的步驟 1).混合粉體的制備稱取&、A1包裹的粉體的量為87. 6wt%，其中rLx和Al所占包裹粉體含量為& 2. 5wt%，Al 2. 2wt%，SiC粉體的量為11. 7wt%，C粉體的量為0. 7wt%, 將稱取的原料放入球磨中，球磨24h混合均勻。2).高溫?zé)Y(jié)過程稱4g混合均勻的粉體，裝入石墨模具后，燒結(jié)溫度為1800° C， 燒結(jié)壓力為30MPa，得到致密度為99. 39%的復(fù)相陶瓷。實(shí)施例2
如圖1所示一種&B2/SiCAr-Al-C陶瓷的制備方法。包括如下的步驟 1).混合粉體的制備稱取&、A1包裹的粉體的量為83. 5wt%，其中rLx和Al所占包裹粉體含量為Zr 16. 2wt%，Al :14. 0wt%，SiC粉體的量為12. 3wt%，C粉體的量為4. 2wt%， 將稱取的原料放入球磨中，球磨24h混合均勻。
2).高溫?zé)Y(jié)過程稱4g混合均勻的粉體，裝入石墨模具后，燒結(jié)溫度為1800° C， 燒結(jié)壓力為30MPa，得到致密度為96. 39%的復(fù)相陶瓷。本實(shí)施例燒結(jié)后試樣的X射線衍射圖如圖2所示。從燒結(jié)后得到的X射線衍射圖可以看到，除了和SiC化合物，反應(yīng)生成了 &-A1-C化合物，其中包括^3Al3C5和 Zr2Al4C5化合物。 本實(shí)施例燒結(jié)后試樣的平面的背散射電子圖如圖3所示。從燒結(jié)后得到的平面的背散射電子圖中可以看到，亮色的相是化合物，層狀的相是&-A1-C化合物，黑色的相是SiC化合物；反應(yīng)生成的層狀&-A1-C化合物均勻分布在晶粒周圍，并且形成了具有特殊的&-A1-C層狀包覆晶粒的微觀結(jié)構(gòu)。實(shí)施例3
如圖1所示一種&B2/SiCAr-Al-C陶瓷的制備方法。包括如下的步驟 1).混合粉體的制備稱取&、A1包裹的粉體的量為83. 5wt%，其中rLx和Al所占包裹粉體含量為Zr 16. 2wt%，Al :14. 0wt%，SiC粉體的量為12. 3wt%，C粉體的量為4. 2wt%， 將稱取的原料放入球磨中，球磨24h混合均勻。2).高溫?zé)Y(jié)過程稱4g混合均勻的粉體，裝入石墨模具后，燒結(jié)溫度為1600° C， 燒結(jié)壓力為30MPa，得到致密度為95. 69%的復(fù)相陶瓷。實(shí)施例4
如圖1所示一種&B2/SiCAr-Al-C陶瓷的制備方法。包括如下的步驟 1).混合粉體的制備稱取&、A1包裹的粉體的量為83. 5wt%，其中rLx和Al所占包裹粉體含量為Zr 16. 2wt%，Al :14. 0wt%，SiC粉體的量為12. 3wt%，C粉體的量為4. 2wt%， 將稱取的原料放入球磨中，球磨24h混合均勻。2).高溫?zé)Y(jié)過程稱4g混合均勻的粉體，裝入石墨模具后，燒結(jié)溫度為1900° C， 燒結(jié)壓力為30MPa，得到致密度為99. 18%的復(fù)相陶瓷。實(shí)施例5
如圖1所示一種&B2/SiCAr-Al-C陶瓷的制備方法。包括如下的步驟 1).混合粉體的制備稱取&、A1包裹的粉體的量為83. 5wt%，其中rLx和Al所占包裹粉體含量為Zr 16. 2wt%，Al :14. 0wt%，SiC粉體的量為12. 3wt%，C粉體的量為4. 2wt%， 將稱取的原料放入球磨中，球磨24h混合均勻。2).高溫?zé)Y(jié)過程稱4g混合均勻的粉體，裝入石墨模具后，燒結(jié)溫度為1900° C， 燒結(jié)壓力為OMPa，得到致密度為96. 72%的復(fù)相陶瓷。上述實(shí)施例中，其燒結(jié)后試樣的斷裂韌性值如表1所示。上述實(shí)施例燒結(jié)后試樣的X射線衍射圖和背散射電子圖基本上都一樣。附表
表1 燒結(jié)后試樣的斷裂韌性值
權(quán)利要求
1.一種ZrB2/SiCAr-Al-C陶瓷的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)混合粉體的制備所用原料為Zr、Al及其合金包裹的粉體、SiC和C，原料中各物質(zhì)的含量為Zr、Al 包裹的粉體的量為83. 5-87. 6wt%，其中rLr所占包裹的粉體含量為2. 5-16. 2wt%, Al所占包裹的粉體含量為2. 2-14. 0wt%，SiC所占混合粉體含量為11. 7-12. 3wt%，C所占混合粉體含量為0. 7-4. 2wt%，將上述原料采用球磨混合均勻，得到混合均勻粉體；(2)燒結(jié)稱取混合均勻粉體裝入石墨模具中，在1600° C-1900。C溫度燒結(jié)，燒結(jié)壓力為 0-30MPa，得到致密的 &B2/SiC/Zr-Al-C 陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是起始原料中金屬ττ占包裹粉體的含量為 16. 2wt%0
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是起始原料中金屬Al占包裹粉體的含量為 14. 0wt%o
4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是起始原料中C的含量為4.2wt%。
5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是燒結(jié)溫度為1700°C-1800。C，燒結(jié)壓力為 10_20MPa。
6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是燒結(jié)溫度為1900°C，燒結(jié)壓力為 30MPa。
全文摘要
本發(fā)明是一種ZrB2/SiC/Zr-Al-C陶瓷的制備方法，該方法是采用金屬Zr、Al及其化合物包裹的ZrB2粉體、SiC和石墨粉體為原料，利用Zr、Al和C的原位反應(yīng)合成層狀的Zr-Al-C化合物來增韌ZrB2-SiC的復(fù)合材料；該方法包括混合粉體的制備和燒結(jié)步驟，其中燒結(jié)過程是將稱取的混合均勻粉體裝入石墨模具中，在1600°C-1900°C溫度燒結(jié)，燒結(jié)壓力為0-30MPa。本發(fā)明可以獲得致密的ZrB2/SiC/Zr-Al-C復(fù)相陶瓷，且韌性比在同樣條件下制備的ZrB2-SiC陶瓷有明顯提高，并且具有工藝簡單，合成燒結(jié)一步完成的特點(diǎn)。
文檔編號C04B35/58GK102161588SQ201110000100
公開日2011年8月24日 申請日期2011年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月4日
發(fā)明者張聯(lián)盟, 李俊國, 沈強(qiáng), 郭啟龍 申請人:武漢理工大學(xué)