專利名稱：一種碳球?yàn)樘砑觿┑母唔g性二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域，具體涉及一種碳球?yàn)樘砑觿┑母唔g性二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料及其制備方法。具體的說是以碳球?yàn)樘砑觿?，采用熱壓燒結(jié)在1800-2000°C下獲得致密的ZrB2-SiC復(fù)相陶瓷，材料的相對密度大于98%，具有較高的斷裂韌性。
背景技術(shù)：
ZrB2以其優(yōu)良的力學(xué)性能、相對低的密度、高的熔點(diǎn)和良好的熱導(dǎo)率，成為了新型高溫結(jié)構(gòu)材料的研究主體。但純ZrB2材料具有較差的抗熱震性能和高溫抗氧化性。經(jīng)過大量研究證實(shí)，SiC的添加能顯著改善ZrB2陶瓷的抗熱震性能和高溫抗氧化性能，因此ZrB2-SiC復(fù)相材料在超高溫陶瓷領(lǐng)域引起了人們很大的關(guān)注。由于極強(qiáng)的共價(jià)鍵和較低的自擴(kuò)散系數(shù)，ZrB2-SiC具有難燒結(jié)的特性，一般ZrB2-SiC需要通過熱壓燒結(jié)，并且在較高的溫度下(2000°C )才能實(shí)現(xiàn)材料的高致密化。作為脆性材料，ZrB2-SiC陶瓷具有較低的斷裂韌性，一般為2.5-4 MPa.m1/2。為了改進(jìn)ZrB2-SiC陶瓷的斷裂韌性，主要采取了兩種方法。第一種方法是引入纖維或者晶須作為增韌相，通過裂紋偏轉(zhuǎn)提高材料斷裂韌性。例如，引入SiC晶須作為第二相，ZrB2-SiC 陶瓷斷裂韌性達(dá)到了 5.7MPa.m1/2 (Stefano Guicciardi, Laura Silvestroni,Mats Nygren, Diletta Sciti, “Microstructure and Toughening Mechanisms in SparkPlasma-Sintered ZrB2 Cerami cs Reinforced by SiC Whiskers or SiC-Chopped Fibers，，，J.Am.Ceram.Soc.，93 (2010) 2384)。第二種方法是引入添加劑使ZrB2發(fā)育為各向異性晶粒，通過自增韌提高材料斷裂韌性。例如，通過引入WC為添加劑使ZrB2發(fā)育為板晶，材料的斷裂韌性高達(dá) 6.5MPa.m1/2 (Ji Zou, Guo-Jun Zhang, Yan-Mei Kan, “Formationof tough interlocking microstructure in ZrB2-SiC-basedultrahigh_temperatureceramics by pressureless sintering” , J.Mater.Res., 24 (2009) 2428)。以上兩種方法主要都是利用具有一定長徑比的某一相發(fā)揮裂紋偏轉(zhuǎn)的增韌效果。然而，為了發(fā)育成一定的長徑比，就需要晶粒具有較大的尺寸，例如，SiC晶須長度為5-15Mm，板晶ZrB2的長度為10-30Mm。然而，ZrB2-SiC陶瓷材料的強(qiáng)度主要由材料中最大的晶粒尺寸所決定，晶粒尺寸越大，材料強(qiáng)度越低。以上兩種方法在增韌的同時，犧牲了材料的強(qiáng)度。因此，探尋即能提高材料斷裂韌性同時又不犧牲強(qiáng)度的新型增韌方法，對熱壓燒結(jié)ZrB2-SiC復(fù)相陶瓷是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種碳球?yàn)樘砑觿┑母唔g性二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷及其制備方法。本發(fā)明提出的一種碳球?yàn)樘砑觿┑母唔g性二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料，基體中SiC含量為10-30vol%，碳球含量為l_10vol%，其余為ZrB2，其總體積滿足100%。本發(fā)明中，以純度不低于97%的ZrB2和SiC粉為原料，以純度不低于99%的碳球?yàn)樘砑觿琙rB2的平均粒徑為1.5 μ m，SiC平均粒徑為0.45 μ m,碳球的粒徑小于0.5 μ m。本發(fā)明提出的一種碳球?yàn)樘砑觿┑母唔g性二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料的制備方法，具體步驟如下:
將碳球、二硼化鋯和碳化硅放入容器中，以丙酮為溶劑，在輥式混料機(jī)上混料22_26h，所得漿料通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)烘干后得到混合均勻的粉料；將混合均勻的粉料放在內(nèi)壁表面涂覆BN(不粘煤)的石墨模具中，在氬氣氣氛中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1800-2000°C，熱壓的壓力為20-30MPa，即得復(fù)相陶瓷材料。本發(fā)明中，熱壓燒結(jié)開始時升溫速率為5-10°C /min，溫度升至1650°C時保溫lh，然后升溫速率為10-30°C /min，升溫至1800-2000°C，20_30MPa的壓力下熱壓燒結(jié)0.5_3h。本發(fā)明中，所述復(fù)相陶瓷材料的相對密度大于98%，碳球在晶界上形成弱的碳界面來改善材料韌性，斷裂韌性高達(dá)5-7MPa.m1/2。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
(I)原料價(jià)格便宜，制備工藝簡單，容易實(shí)現(xiàn)。(2)在1800-2000°c即可燒結(jié)致密，材料的致密度高。(3)圓形碳球在晶界上形成薄的弱碳界面層，顯著改善了材料的斷裂韌性。



圖1是施例I制得的二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料斷面的SEM照片；
圖2是實(shí)施例1制得的二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料的裂紋偏轉(zhuǎn)的SEM照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)、完整地說明，但決非限制本發(fā)明，本發(fā)明也并非僅局限于下述實(shí)施例的內(nèi)容。實(shí)施例1
以 2池2粉(1.5μπι，>98%)，SiC 粉(0.45 μ m, >97%)和碳球(< 0.5 μ m, >99%)為原料，按照燒碳球體積含量在5%，SiC的體積含量在20%，ZrB2的體積含量在75%配料，以乙醇為溶劑、Si3N4球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，在輥式球磨機(jī)上混合24小時，所得漿料通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)烘干后得到混合均勻的粉料。將混合均勻的粉體放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，在進(jìn)行熱壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)開始時升溫速率為10°C /min，溫度升至1650° C時保溫lh，然后升溫速率為15°C /min,升溫至2000°C，30MPa的壓力下熱壓燒結(jié)lh，即可獲得相對密度接近100%的塊體材料，斷裂韌性高達(dá)6.5MPa.m1/2。圖1為本實(shí)施例所制備的二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料斷面的SEM照片，由圖1可見:材料包含淺灰色二硼化鋯相、深灰色碳化硅相和黑色碳相，熱壓燒結(jié)后圓形碳球轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ы缟系膶訝钐冀缑妗D2為斷裂韌性測試時形成的裂紋偏轉(zhuǎn)情況，由圖2可見:裂紋走向曲折，沿著晶界偏轉(zhuǎn)，因而導(dǎo)致材料具有高的斷裂韌性。
實(shí)施例2
設(shè)計(jì)碳球在基體中的體積含量為1%，按照實(shí)施例1的方法制備材料，所得到樣品的相對密度為98%，斷裂韌性為5MPa.m1/2。實(shí)施例3
設(shè)計(jì)碳球在基體中的體積含量為5%，按照實(shí)施例1的方法制備材料，改變燒結(jié)溫度為1900°C，所得到樣品的相對密度為99%，斷裂韌性為6MPa.m1/2。實(shí)施例4
設(shè)計(jì)碳球在基體中的體積含量為10%，按照實(shí)施例1的方法制備材料，所得到樣品的相對密度大于99%，斷裂韌性為7MPa.m1/2。實(shí)施例5 碳球的體積含量在1% — 10%之間，按照實(shí)施例1方法制備材料，所得到樣品的相對密度均大于98%，斷裂韌性在5-7MPa.m1/2之間。
權(quán)利要求
1.一種碳球?yàn)樘砑觿┑母唔g性二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料，其特征在于:基體中SiC含量為10-30vol%，碳球含量為l_10vol%，其余為ZrB2，其總體積滿足100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳球?yàn)樘砑觿┑母唔g性二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料，其特征在于:以純度不低于97%的ZrB2和SiC粉為原料，以純度不低于99%的碳球?yàn)樘砑觿?，ZrB2的平均粒徑為1.5 μ m，SiC平均粒徑為0.45 μ m,碳球的粒徑小于0.5 μ m。
3.—種如權(quán)利要求1所述的一種碳球?yàn)樘砑觿┑母唔g性二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下: 將碳球、二硼化鋯和碳化硅放入容器中，以丙酮為溶劑，在輥式混料機(jī)上混料22-26h，所得漿料通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)烘干后得到混合均勻的粉料；將混合均勻的粉料放在內(nèi)壁表面涂覆不粘煤的石墨模具中，在氬氣氣氛中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1800-2000°C，熱壓的壓力為20-30MPa，即得復(fù)相陶瓷材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于熱壓燒結(jié)開始時升溫速率為5-10°C/min，溫度升至1650°C時保溫lh，然后升溫速率為10_30°C /min，升溫至1800-2000°C，20-30MPa的壓力下熱壓燒結(jié)0.5_3h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳球?yàn)樘砑觿┑母唔g性二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料，其特征在于:所述復(fù)相陶瓷材料的相對密度大于98%，圓形碳球在材料的晶界上形成薄的弱碳界面層，斷裂韌性高達(dá)5-7MPa.m1/20
全文摘要
本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)陶瓷制備領(lǐng)域，具體涉及一種碳球?yàn)樘砑觿┑母唔g性二硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料及其制備方法。本發(fā)明以純度不低于97%的ZrB2和SiC粉為原料，以純度不低于98%的碳球?yàn)樘砑觿砑觿w積分?jǐn)?shù)為1vol%-10vol%，原料經(jīng)混料烘干后，通過調(diào)節(jié)燒結(jié)工藝參數(shù)，在1800-2000℃之間熱壓燒結(jié)獲得高韌性ZrB2-SiC復(fù)相陶瓷材料。所制備的材料的相對密度大于98%，通過熱壓燒結(jié)后圓形碳球在材料晶界上形成弱碳界面層來顯著改善材料的韌性，斷裂韌性高達(dá)5-7MPa·m1/2。
文檔編號C04B35/63GK103073299SQ20131000326
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者楊振國, 郭偉明, 張國軍 申請人:復(fù)旦大學(xué)