專利名稱：一種低密度、高強度復相陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料領域，具體涉及ー種低密度、高強度復相陶瓷材料及其制備方法。
背景技術：
現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，武器裝備和人員的生存能力越來越受到重視，裝甲防護的重要性日益凸顯。高性能陶瓷材料以其高強度、高硬度、低密度和耐腐蝕等優(yōu)點，在提高復合裝甲的防護能力方面發(fā)揮了重要作用。陶瓷裝甲已成為現(xiàn)代復合裝甲的ー個重要組成部分，在坦克、裝甲車輛、武裝直升機和戰(zhàn)斗人員的裝甲防護領域得到廣泛應用[1』。目前應用較多的裝甲陶瓷材料主要有A1203、B4C和SiC等。Al2O3裝甲陶瓷制備エ藝簡單、成本低，因而被廣泛應用，但密度較大、比強度低；B4c密度低、比強度高，抗彈性能好，但價格昂貴，未能大規(guī)模使用；SiC密度居中，抗彈性能介于Al2O3與B4C之間，但其脆性導致陶瓷裝甲系統(tǒng)抗多發(fā)彈攻擊的能力變差，并且高性能碳化硅價格較高[3ィ]。β -sialon 是ー種 Si3N4 和 Al2O3 的固溶體(化學式為 Si6_zAlz0zN8_z，Z = 1 4. 2， Z為Al、0原子分別置換Si、N原子的數(shù)目)，它韌性和強度高，抗氧化性能和化學穩(wěn)定性優(yōu)于Si3N4[6]。SiC陶瓷硬度和強度高，耐高溫及抗熱震性能好。Sialon結(jié)合SiC作為ー種優(yōu)質(zhì)耐火材料，高溫性能突出，但由于氣孔較多，力學性能較差，不適合作裝甲材料。也有研究表明高致密度SiC/sialon復相陶瓷綜合了 SiC與sialon力學性能的優(yōu)點，強度、硬度和韌性均較高，密度較低，但這類材料通常需要較高的燒結(jié)溫度(一般在1850°C以上)，高溫燒結(jié)時易發(fā)生Si3N4等物質(zhì)的分解，需要采用熱等靜壓或氣壓燒結(jié)。因此，目前亟需ー種成本低、密度小、比強度高的裝甲陶瓷，尤其在追求輕質(zhì)量的人體裝甲方面具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述不足之處提供一種成本低、能滿足防護要求的低密度、 高強度復相陶瓷材料。本發(fā)明的另一目的是提供上述材料的制備方法。該方法是采用低溫常壓燒結(jié)エ 藝，步驟簡單、成本低，適于批量生產(chǎn)，可制得大尺寸、形狀復雜的部件。本發(fā)明的目的是通過以下方式實現(xiàn)的ー種低密度、高強度復相陶瓷材料，該陶瓷材料主要以SiC、Al203、Si粉、蘇州土以及SiO2為原料，與添加料在氮氣條件下燒結(jié)制成，燒結(jié)溫度為1400 1750°C。所述的添加料可為Lei203、Y2O3> Zr02、MgO中的ー種或多種混合。本發(fā)明SiC、Si粉、A1203、SiO2、蘇州土與添加料的重量比為40 70 3 10 15 25 3 15 5 15 3 20，優(yōu)選SiC、Si粉、Al203、Si02、蘇州土與添加料的重量比為50 60 5 10 15 20 5 10 10 15 10 15。上述燒結(jié)為在溫度1400 1600°C條件下，保溫0. 5 5h，再快速升溫至1500 1750°C，保溫0. 5 5h。優(yōu)選燒結(jié)為在溫度1500 1600°C條件下，保溫1 3h，再快速升溫至1600 1700°C，保溫0. 5 2h。所述的原料及添加料的粒徑分布為0. 1 μ m彡D5tl彡100 μ m。優(yōu)選Al203、Si粉、蘇州土、SW2及添加料的粒徑分布為0. 5 μ m彡D5tl彡10 μ m。所述的SiC優(yōu)選由粒徑分布為 1 μ m ^ D50 ^ 100 μ m的微米級SiC與粒徑分布為0. 1 μ m彡D5tl < 1 μ m的亞微米級SiC組成，二者重量比為30 50 15 25。上述低密度、高強度復相陶瓷材料的制備方法包括以下步驟以SiC、Al203、Si粉、 蘇州土以及SiO2為原料，與添加料在氮氣條件下燒結(jié)制成，燒結(jié)溫度為1400 1750°C。上述低密度、高強度復相陶瓷材料的制備方法具體可包括以下步驟以SiC、Al203、Si粉、蘇州土及SiO2為原料，以乙醇為球磨介質(zhì)，與添加料在用Si3N4 球球磨，球磨后的漿料經(jīng)烘干、造粒、過篩、干壓成型、排膠后，在流動的氮氣條件下，在溫度 1400 1600°C條件下保溫0. 5 5h，再快速升溫至1500 1750°C保溫0. 5 5h。升溫速率為6 15°C /min，優(yōu)選10°C /min ；氮氣流速1 3L/min。所述的原料及添加料、Si3N4球和乙醇的質(zhì)量比為0.5 1 1 2 0. 5 1. 5， 球磨時間為10 24h ；所述的干壓成型的壓カ為40 60MPa，優(yōu)選為50MPa。球磨時優(yōu)選采用行星磨。排膠采用的溫度為200 500°C，保溫1 5h，乙醇的濃度采用常規(guī)濕法研磨使用的濃度即可。本發(fā)明低密度、高強度復相陶瓷材料顯氣孔率> 1%，優(yōu)選5 25%，80%<相對密度< 95%，抗彎強度250MPa 450MPa，體積密度為2. 6 3. 3g/cm3。所述的氮氣優(yōu)選純度> 99. 99%,微米級SiC及亞微米級SiC優(yōu)選純度> 98%，Si 粉優(yōu)選D50 = 0.47 μ m,純度>99%,Al2O3優(yōu)選D50 = 0. 32 μ m ；蘇州土 (又名蘇州白土)優(yōu)選優(yōu)質(zhì)蘇州土，主要礦物是管狀多水高嶺石和片狀高嶺石，其中，氧化鋁含量為37% 39%， ニ氧化硅46% 48%，耐火度1730°C，可塑性較低，D50 = 1.5 Um0所述的添加料純度> 99%。與現(xiàn)有技術比較本發(fā)明的有益效果1)本發(fā)明材料屬于高致密度SiC/sialon復相陶瓷，原位反應合成β -sialon相吋，原料組成和燒結(jié)溫度對反應過程有重要影響，用反應活性高的蘇州土使樣品在較低溫度合成出無雜相的β-sialon相。2)添加料可更好地促進樣品致密化，促進β-sialon燒結(jié)，同時又具有增韌補強作用，提高復合材料的力學性能，特別是復合添加料的促產(chǎn)品致密化效果高于単一添加添加料的效果。3)本發(fā)明陶瓷材料的體積密度只有Al2O3的74%，彎曲比強度比Al2O3提高了 40% 以上，具有低體積密度、高強度的特點，適用于制造高溫、耐磨套管、裝甲等。4)采用一定顆粒級配的SiC，即微米級SiC與亞微米級SiC復合使用提高了陶瓷材料的密度和強度。以下通過實驗進ー步解釋說明本發(fā)明原料組成對合成sialon相的影響以及燒結(jié)助劑對材料性能的影響實驗以微米級SiC1 [D5tl = 7.(^!11，純度> 98% (質(zhì)量分數(shù)，下同)]、亞微米級 SiC2 (純度> 98% )、Si 粉(D50 = 0.47 μ m，純度> 99% )、エ業(yè)級 Al2O3 (D50 =0.32 μ m)、SiO2 (分析純)以及優(yōu)質(zhì)蘇州土(D5tl= 1.5ym)為主要原料，以Y2O3 (D50 =
4CN 102531608 A
1.6レ111，純度> 99% )和ZrO2 (D5tl = 0.95レ111，純度> 99% )為添加劑，按表1配比配料。 以乙醇為球磨介質(zhì)，在行星磨中用Si3N4球球磨Mh (原料及添加料、Si3N4球和乙醇的質(zhì)量比為1 1.5 1)，球磨后的漿料經(jīng)烘干、造粒、過篩、干壓成型(壓カ約為50MPa)、排膠后于高溫真空氣氛燒結(jié)爐中在流動的高純氮氣(純度> 99. 99%)下先原位反應合成 β -sialon相，再燒結(jié)制得低密度、高強度復相陶瓷材料即SiC/ β -sialon復相陶瓷。表1樣品組成
Sample-,-η-
No SiC1 SiC1 Si Al2O3 SiO2 Suzhou Y2O3 ZrO2
_clay _N 40 20 7 23 10
M 40 20 7 19 5 10 Ml 40 20 7 19 5 10 5 _M2 _40_20_7 _19 _ 5 一10 5 5本發(fā)明陶瓷材料中，β -sialon作為結(jié)合相對材料性能影響較大，首先利用不含添加劑的基料(樣品N和樣品M)進行比較，確定合成β-sialon相的最佳原料組成和合成溫度。在樣品M中添加Y2O3及Y2O3和ZiO2后分別得到樣品Ml和樣品Μ2，各樣品的組成見表 1。按上述エ藝成型，采用分階段保溫燒成，在溫度1500°C保溫池后，再快速升溫至預定燒結(jié)溫度保溫Ih。樣品經(jīng)磨平、拋光，用Archimedes排水法測量體積密度。借助RGWT-4002型萬能試驗機，用三點彎曲法和單邊切ロ梁法分別測量樣品的抗彎強度和斷裂韌性，采用阿基米德法測定顯氣孔率、相對密度及實際密度。用ARLX’TRA型X射線衍射儀確定材料的物相組成(管電壓為40kV，工作電流為35mA，Cu靶，Ka輻射)。分別用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡和VANTAGE IV型能量色散譜分析材料的斷ロ形貌和元素組成。以下通過

圖1-9對上述實驗結(jié)果進行說明圖1和圖2分別為樣品N和樣品M在不同溫度氮化反應后的X射線衍射(XRD)譜。由圖1可以看出樣品N中出現(xiàn)β-sialon相的最低溫度為1500°C，1600°C時仍存在未完全固溶的剛玉相；樣品M在1400°C反應合成出0-が￡11011相，在1500で時已全部轉(zhuǎn)化為β-sialon相，樣品中只存在SiC相和β-sialon相。在1400°C合成的樣品N中存在較多剛玉相和SiO2相，還有少量的Si^2O相和 0-sialon 相(Si2_xAlx ·01+ΧΝ2_Χ，O < χ 彡 0. 3)。Si2N2O 相的形成部分 Si 粉氮化生成 Si3N4， Si3N4繼續(xù)與樣品中的SiO2反應生成Si2N2O ；同時，另一部分Si粉直接和Si02、N2反應生成 Si2N2O0 0-sialon相則是Al2O3固溶進Si^2O的產(chǎn)物。當反應溫度為1500°C時，樣品N中出現(xiàn)少量β -sialon相，Si2N2O相和Ο-sialon相完全消失，同吋，Al2O3的相對強度降低。這表明隨著反應溫度提高(1500°C)，Al2O3固溶進入Ο-sialon相，形成了 β-sialon相。當反應溫度為1600°C時，樣品N中仍然殘余少量剛玉相，其相對強度和1500°C時相比并未降低。這表明當溫度高于1500°C時，提高合成溫度并沒有増加Al2O3的固溶反應程度。由圖2可見，樣品M的反應路線與樣品N基本相同，但樣品M的整個轉(zhuǎn)化過程在較低溫度(1500°C)就已完成，并且樣品M中未出現(xiàn)殘余剛玉相。蘇州土的添加加速Al2O3等反應物的溶解和遷移，同時蘇州土轉(zhuǎn)化為β -sialon相具有較低的活化能，所以，樣品M能在較低溫度反應合成β-sialon相。β-sialon易于生長在β-sialon晶?；蚓Ш松希@些由蘇州土氮化生成的大量的微小β-sialon晶粒均勻分布于樣品中，起類似晶核的作用， 促進其他反應物向β-sialon相轉(zhuǎn)變。表2為不同樣品的β-sialon相中Al原子置換Si 原子的數(shù)目。表2不同溫度氮化反應2h后樣品中β -sialon(Si6_zAlz0zN8-z)相的Z值
Sample/-value
No. 1400 °C 1500 °C 1600 °C-
權利要求
1.ー種低密度、高強度復相陶瓷材料，其特征在于該陶瓷材料主要以SiC、Si粉、A1203、 蘇州土以及SiO2為原料，與添加料在氮氣條件下燒結(jié)制成，燒結(jié)溫度為1400 1750°C。
2.根據(jù)權利要求1所述的低密度、高強度復相陶瓷材料，其特征在于所述的添加料為 La203> Y2O3> Zr02、Mg0 中的至少ー種。
3.根據(jù)權利要求1所述的低密度、高強度復相陶瓷材料，其特征在于所述的SiC、Si粉、 A1203、SiO2、蘇州土與添加料的重量比為40 70 3 10 15 25 3 15 5 15 3 20。
4.根據(jù)權利要求1所述的低密度、高強度復相陶瓷材料，其特征在于所述的燒結(jié)為在溫度1400 1600°C條件下，保溫0. 5 5h，再快速升溫至1500 1750°C，保溫0. 5 5h。
5.根據(jù)權利要求1所述的低密度、高強度復相陶瓷材料，其特征在于所述的原料及添加料的粒徑分布為0. 1 μ m彡D5tl彡100 μ m。
6.根據(jù)權利要求1所述的低密度、高強度復相陶瓷材料，其特征在于所述的SiC由粒徑分布為1 μ m < D5tl < 100 μ m的微米級SiC與粒徑分布為0. 1 μ m≤D5tl < 1 μ m的亞微米級 SiC組成，二者重量比為30 50 15 25。
7.—種權利要求1所述的低密度、高強度復相陶瓷材料的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟以SiC、Al203、Si粉、蘇州土及SiO2為原料，與添加料在氮氣條件下燒結(jié)制成，燒結(jié)溫度為1400 1750°C。
8.根據(jù)權利要求7所述的低密度、高強度復相陶瓷材料的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟以SiC、A1203、Si粉、蘇州土以及SiO2為原料，以乙醇為球磨介質(zhì)，與添加料在用Si3N4 球球磨，球磨后的漿料經(jīng)烘干、造粒、過篩、干壓成型、排膠后，在流動的氮氣條件下，在溫度 1400 1600°C條件下保溫0. 5 5h，再快速升溫至1500 1750°C，保溫0. 5 5h。
9.根據(jù)權利要求8所述的低密度、高強度復相陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的原料及添加料、Si3N4球和乙醇的質(zhì)量比為0. 5 1 1 2 0. 5 1. 5，球磨時間為 10 24h ；所述的干壓成型的壓カ為40 60Mpa。
10.根據(jù)權利要求1所述的低密度、高強度復相陶瓷材料，其特征在于該材料顯氣孔率 > 1%，75%<相對密度< 95%，抗彎強度250MPa 450MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低密度、高強度復相陶瓷材料及其制備方法，該材料應用范圍廣闊，尤其適合于裝甲防護領域。本發(fā)明陶瓷材料主要以SiC、Si粉、Al2O3、蘇州土以及SiO2為原料，與添加料在流動的氮氣條件下，1400～1750℃高溫燒結(jié)制備得到；其中，蘇州土有效促進β-sialon相的生成，添加料促進樣品的燒結(jié)致密化，得到的陶瓷材料的體積密度約為Al2O3陶瓷材料的75％，但其比強度較Al2O3陶瓷材料提高了約40％。
文檔編號C04B35/565GK102531608SQ20121005056
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權日2012年2月29日
發(fā)明者劉寧, 文有強, 郭露村, 陳涵 申請人:南京工業(yè)大學