專利名稱：一種三氧化二鋁和二硅化鉬復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種三氧化二鋁和二硅化鑰復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對高溫環(huán)境下工作的結(jié)構(gòu)材料提出了越來越高的要求，例如隨著航空航天事業(yè)、汽車工業(yè)以及先進能源等技術(shù)的進步，特別是航空航天飛行器中發(fā)動機和汽車制造中渦輪增壓器轉(zhuǎn)軸、電熱塞、閥門以及先進的渦輪引擎等部件上，要求金屬材料具有高比強度、高比模量、優(yōu)良的耐高溫持久性能、能在高溫氧化性氛圍中長期工作，以及較好的耐腐蝕性能等，因此開發(fā)出一種性能優(yōu)越的耐高溫結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)非常迫切。金屬間化合物二硅化鑰(MoSi2)具有金屬和陶瓷的雙重特性以及良好的綜合力學(xué)性能，因此有望成為一種新型高溫結(jié)構(gòu)材料。MoSi2是Mo-Si 二元系合金中含硅量最高的一種金屬間化合物。這種結(jié)構(gòu)的MoSi2中，Mo-Mo原子結(jié)合為金屬鍵，S1-Si原子結(jié)合為共價鍵，而Mo-Si原子間結(jié)合具有金屬鍵和共價鍵共存的特征，所以MoSi2又可以稱作金屬陶瓷，其主要優(yōu)點為(1)足夠高的熔點(Tm, 20200C )，若按0. 8Tm估算，其工作溫度在1600°C以上;(2)適中的比重(6. 24g/cm3)，低于目前航空用Ni基合金的比重(8.44 g/cm3) ； (3)極好的高溫抗氧化性，抗氧化溫度可達1600°C左右，是金屬硅化物中最好的。在高溫下(>800°C)，MoSi2表面形成一層致密的SiO2保護層，從而阻止了氧的進一步擴散。然而MoSi2在450 5501有加速氧化即“PEST”現(xiàn)象，但研究表明，“PEST”現(xiàn)象并不是MoSi2的本質(zhì)特征，致密的(致密度>98%)、無裂紋、少空洞、無應(yīng)力的MoSi2材料不會發(fā)生“PEST”現(xiàn)象。(4)具有脆性-韌性轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變溫度(BDTT，brittle-to-ductile transition temperature) 一般在 900 100CTC左右。這種特性不但有可能預(yù)報MoSi2在高溫下的斷裂失效，而且可以用傳統(tǒng)工藝進行熱加工。另一方面，MoSi2在BDTT以下具有脆性，室溫斷 裂韌性較低，在BDTT以上具有塑性，但高溫強度低。此外，MoSi2具有較低的熱脹系數(shù)以及良好的電熱傳導(dǎo)性，可進行放電加工，并且MoSi2資源豐富，既無環(huán)境污染，又可再生制備。目前國內(nèi)外關(guān)于MoSi2的研究主要集中在低溫增韌和高溫補強方面，其工藝方法有合金化和復(fù)合化兩種。MoSi2與SiC、Al203、Zr02、Si3N4、WSi2、TiC以及TiB2等有很好的化學(xué)相容性，以顆粒、晶須和纖維等第二相作為增強相制備的復(fù)合材料，其強度有很大提高，且低溫脆性也有所改善。Al2O3具有更高的熔點(2054°C)，更低的密度(3. 95 g. cm_3)，良好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，價格低廉，Al2O3和MoSi2在20°C 1400°C表現(xiàn)出優(yōu)良的熱膨脹系數(shù)匹配特性，在Al2O3增強MoSi2基復(fù)合材料中，不會產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋，因而Al2O3是一種非常有潛力的第二相增強材料。NACA的Maxwell早在1950s就開展了 Al2O3-MoSi2復(fù)合材料的研究，發(fā)現(xiàn)25wt. %Al203-MoSi2復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的熱震行為。MoSi2-Al2O3層疊復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)美的失效現(xiàn)象。Zakeri等通過機械合金化方法制備了納米晶MoSi2-Al2O3復(fù)合粉末。Dumont等采用燃燒合成技術(shù)制備了 MoSi2彌散強化Al2O3基復(fù)合材料。Mitre等通過向含有氧雜質(zhì)的MoSi2中添加Al，Al通過原位取代反應(yīng)形成了 Al2O3，其室溫和高溫強度都有所提高。但如何采用原位技術(shù)制備Al2O3增強MoSi2復(fù)合材料，并有效控制增強相的含量十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種三氧化二鋁和二硅化鑰復(fù)合材料及其制備方法，實現(xiàn)
三氧化二鋁原位復(fù)合化二硅化鑰，并且工藝設(shè)備簡單。本發(fā)明三氧化二鋁和二硅化鑰復(fù)合材料的化學(xué)式為MoSi2AAl2O3，其中X處于0 30mol%的范圍之內(nèi)，三氧化二鋁和二硅化鑰屬于冶金結(jié)合。本發(fā)明的制備方法為a.將鑰粉、硅粉、鋁粉、三氧化鑰粉按照14. 8 33. 3mol%Mo,51. 9 66. 7mol%S1、0 22. 2mol% A1、0 11.1mol % MoO3摩爾比例混合均勻；b.將混合粉末壓制成坯體；c.將粉末坯體放入反應(yīng)釜中，在氬氣、氫氣或氮氣等保護性氣氛或I IOOPa的真空中點燃混合粉末坯體，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成三氧化二鋁和二硅化鑰復(fù)合材料。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明采用燃燒合成技術(shù)一步法原位制備了三氧化二鋁復(fù)合化二硅化鑰基材料。和機械合金化技術(shù)需要近百小時的球磨相比，本發(fā)明節(jié)約時間，并且可以減少球磨造成的污染 。和單純的添加第二相制備的復(fù)合材料中增強相難以分布均勻，特別是存在界面熱力學(xué)穩(wěn)定性問題，容易引起微裂紋等缺陷相比，本發(fā)明三氧化二鋁和二硅化鑰屬于冶金結(jié)合，并且分布均勻，所得材料力學(xué)性能高。此外，本發(fā)明還具有工藝和設(shè)備簡便、省時、節(jié)能、成本低、污染少的優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明獲得的產(chǎn)物的X射線衍射圖譜?？梢钥闯?，根據(jù)本發(fā)明能夠得到三氧化二鋁和二硅化鑰復(fù)合材料。
具體實施例方式實施例1.將鑰粉、硅粉、鋁粉和三氧化鑰粉，按照33. 3mol% Mo.66. 7mol% Si,Omol % AUOmol % MoO3的摩爾比例混合均勻，并壓制成坯體，把坯體放入反應(yīng)釜中，在氫氣氣氛環(huán)境中點燃粉末坯體，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成MoSi2/0mol%Al203材料。經(jīng)真空熱壓燒結(jié)后其彎曲強度為295MPa。實施例2.將鑰粉、硅粉、鋁粉和三氧化鑰粉，按照30. 5mol% Mo.64. 4mol% Si,
3.4mol% Al、1. 7mol% MoO3的摩爾比例混合均勻，并壓制成坯體，把坯體放入反應(yīng)釜中，在氬氣氣氛環(huán)境中點燃粉末坯體，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成MoSi2/5mol%Al203復(fù)合材料。經(jīng)真空熱壓燒結(jié)后其彎曲強度為435MPa。實施例3.將鑰粉、硅粉、鋁粉和三氧化鑰粉，按照27. 6mol% Mo.62.1mol % S1、
6.9mol% Al、3. 4mol% MoO3的摩爾比例混合均勻，并壓制成坯體，把坯體放入反應(yīng)釜中，在氮氣氣氛環(huán)境中點燃粉末坯體，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成MoSi2/10mol%Al203復(fù)合材料。經(jīng)真空熱壓燒結(jié)后其彎曲強度為376MPa。實施例4.將鑰粉、硅粉、鋁粉和三氧化鑰粉，按照24. 6mol% Mo,59. 6mol% S1、
10.5mol % Al、5. 3mol % MoO3的摩爾比例混合均勻，并壓制成坯體，把坯體放入反應(yīng)釜中，在IPa真空環(huán)境中點燃粉末坯體，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成MoSi2/15mol%Al203復(fù)合材料。經(jīng)真空熱壓燒結(jié)后其彎曲強度為658MPa。實施例5.將鑰粉、硅粉、鋁粉和三氧化鑰粉，按照21. 4mol% Mo.57. 2mol% Si,14. 3mol % Al、7.1mol % MoO3的摩爾比例混合均勻，并壓制成坯體，把坯體放入反應(yīng)釜中，在25Pa真空環(huán)境中點燃粉末坯體，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成MoSi2/20mol%Al203復(fù)合材料。實施例6.將鑰粉、硅粉、鋁粉和三氧化鑰粉，按照18. 2mol% Mo.54. 5mol% Si,18. 2mol %A1,9.1mol % MoO3的摩爾比例混合均勻，并壓制成坯體，把坯體放入反應(yīng)釜中，在50Pa真空環(huán)境中點燃粉末坯體，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成MoSi2/25mol%Al203復(fù)合材料。實施例7.將鑰粉、硅粉、鋁粉和三氧化鑰粉，按照14. 8mol% Mo.51. 9mol% Si,22. 2mol% Al、11.1mol % MoO3的摩爾比例混合均勻，并壓制成坯體，把坯體放入反應(yīng)釜中，在IOOPa真空環(huán)境中點燃粉末坯體，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成MoSi2/30mol%Al203復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種三氧化二鋁和二硅化鑰復(fù)合材料，其特征在于化學(xué)式為MoSi2AAl2O3，其中X處于0 30mol%的范圍之內(nèi)，三氧化二招和二娃化鑰屬于冶金結(jié)合。
2.—種權(quán)利要求1所述三氧化二鋁和二硅化鑰復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，工藝步驟如下 a.將鑰粉、硅粉、鋁粉、三氧化鑰粉按照14.8 33. 3mol% Mo,51. 9 66. 7mol% S1、0 22. 2mol% A1、0 11.1mol % MoO3摩爾比例混合均勻； b.將混合粉末壓制成坯體； c.將粉末坯體放入反應(yīng)釜中，在保護性氣氛或真空中點燃混合粉末坯體，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成三氧化二鋁和二硅化鑰復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的保護性氣氛為氬氣、氫氣或氮氣氣氛。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的真空度為I lOOPa。
全文摘要
一種三氧化二鋁和二硅化鉬復(fù)合材料及其制備方法，屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。三氧化二鋁和二硅化鉬復(fù)合材料為MoSi2/XAl2O3，其中X處于0～30mol%的范圍之內(nèi)。將鉬粉、硅粉、鋁粉、三氧化鉬粉按照14.8～33.3mol％Mo、51.9～66.7mol％Si、0～22.2mol％Al、0～11.1mol％MoO3摩爾比例混合均勻，然后壓制成坯體，再將坯體放入反應(yīng)釜中，在保護性氣氛或真空中點燃，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成三氧化二鋁和二硅化鉬復(fù)合材料。通過三氧化二鋁復(fù)合化提高了二硅化鉬材料的力學(xué)性能。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明通過一步法合成三氧化二鋁原位改性二硅化鉬基復(fù)合材料，有利于消除增強相分布不均勻現(xiàn)象，并減少界面產(chǎn)物，本發(fā)明還具有工藝和設(shè)備簡單、省時、節(jié)能、成本低的優(yōu)點。
文檔編號C04B35/622GK103058661SQ20131003370
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者馮培忠, 王建棟, 郭瑞霞, 宋彬彬, 牛繼南, 強穎懷 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)