專利名稱：一種高熱導(dǎo)率ZrB₂超高溫陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷及其制備方法，具體為利用熱壓燒結(jié)法制備高熱導(dǎo)纖維增韌ZrB2超高溫陶瓷的方法以及復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提高方法，屬于高溫陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超高溫陶瓷材料是指在高溫環(huán)境及反應(yīng)氣氛中能夠保持物理和化學(xué)穩(wěn)定性的一種特殊陶瓷材料。這類材料主要包括過渡金屬硼化物、碳化物以及氮化物，其熔點(diǎn)均超過3000°C。其中，過渡金屬硼化物憑借其高的熔點(diǎn)、熱物理性能、彈性模量以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，已成為最有優(yōu)勢(shì)的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，在高超聲速飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行和火箭推進(jìn)系統(tǒng)等極端環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用前景。然而超高溫陶瓷材料的抗熱沖擊性能一直沒有得到很好的解決，是限制其優(yōu)異性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素之一。材料的抗熱沖擊性能有多重影響因素，諸如物理性能、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝以及形狀尺寸等。較高的熱導(dǎo)率能夠快速將材料內(nèi)部熱量導(dǎo)出，降低內(nèi)部的熱應(yīng)力，有利于提高材料的抗熱沖擊性能。因此提高ZrB2陶瓷材料的室溫及高溫?zé)釋?dǎo)率有利于改善材料的抗熱沖擊性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提出一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷及其制備方法，該超高溫陶瓷具有高的熱導(dǎo)率且抗熱沖擊性能好，該方法工藝過程簡(jiǎn)單、耗時(shí)短。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷，該超高溫陶瓷包括硼化鋯粉末和中間相浙青基炭纖維；其中硼化錯(cuò)粉末`平均粒徑為I 2微米,其純度> 99% ;中間相浙青基炭纖維直徑為7 10微米，其軸向?qū)嵯禂?shù)彡500ff/(m.K);以超高溫陶瓷的總體積為100份計(jì)算，硼化鋯粉末的體積份數(shù)為70-90份，中間相浙青基炭纖維的體積份數(shù)為10-30份。本發(fā)明的一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷的制備方法，該方法將中間相浙青基炭纖維引入到硼化物超高溫陶瓷材料體系中，在燒結(jié)過程中，纖維垂直熱壓方向定向排布，中間相浙青基炭纖維較高的導(dǎo)熱系數(shù)使得所制備ZrB2材料的熱導(dǎo)率大大提升，同時(shí)也提高了材料的高溫可靠性；該方法的具體步驟為:I)將中間相浙青基炭纖維剪成長0.5-2mm的短切纖維，放入無水乙醇中分散，分散時(shí)采用超聲波進(jìn)行分散，得到混合物；中間相浙青基炭纖維與無水乙醇的質(zhì)量比為1:80-120 ；2)將硼化鋯粉末和步驟I)得到的混合物在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行混合，球磨時(shí)間為10-30h，為防止硼化鋯粉末和中間相浙青基炭纖維在球磨過程中分層，球磨機(jī)混料時(shí)轉(zhuǎn)速> 200rpm ;混好后將得到的漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上蒸發(fā)烘干，得到混合粉料；3)研磨:將步驟3)得到的混合粉料用瑪瑙研缽反復(fù)研磨并過篩；4)燒結(jié):將步驟3)研磨后的混合粉料于真空或惰性氣氛中熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1800 2000°C，燒結(jié)壓力為20 60MPa，燒結(jié)時(shí)間為30 120min，自然冷卻至室溫，得到致密的ZrB2超高溫陶瓷材料。將上述方法制備的ZrB2超高溫陶瓷材料進(jìn)行熱導(dǎo)率、常溫力學(xué)性能測(cè)試，并對(duì)其表面和斷口形貌進(jìn)行顯微觀察。有益效果本發(fā)明制備的ZrB2超高溫陶瓷具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、低模量、良好的抗燒蝕性能以及抗化學(xué)腐蝕等優(yōu)異性能，采用本發(fā)明制備的ZrB2基超高溫陶瓷，其室溫?zé)釋?dǎo)率達(dá)100W/(m K)，高于國內(nèi)外報(bào)道的純ZrB2超高溫陶瓷材料(約60W/(m K))，基本滿足一些防熱結(jié)構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)用；在高超聲速飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行和火箭推進(jìn)系統(tǒng)等極端環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅只局限于下面的實(shí)施例:實(shí)施例1一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷，該超高溫陶瓷包括硼化鋯粉末和中間相浙青基炭纖維；其中硼化鋯粉末平均粒徑為2微米，其純度為99.2% ;中間相浙青基炭纖維平均直徑為10微米，其軸向?qū)嵯禂?shù)為523W/(m !();以超高溫陶瓷的總體積為100份計(jì)算，硼化鋯粉末的體積份數(shù)為70份，中間相浙青基炭纖維的體積份數(shù)為30份。一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷的制備方法，該方法的具體步驟為:
I)將IOg中間相浙青基炭纖維剪成長Imm的短切纖維，放入IOOOg無水乙醇中分散，分散時(shí)采用超聲波進(jìn)行分散，得到混合物；2)將70g硼化鋯粉末和步驟I)得到的混合物在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行混合，球磨時(shí)間為30h，為防止硼化鋯粉末和中間相浙青基炭纖維在球磨過程中分層，球磨機(jī)混料時(shí)轉(zhuǎn)速為250rpm ;混好后將得到的漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上蒸發(fā)烘干，得到混合粉料；3)研磨:將步驟3)得到的混合粉料用瑪瑙研缽反復(fù)研磨并過篩；4)燒結(jié):將步驟3)研磨后的混合粉料于真空或惰性氣氛中熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1900°C，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)時(shí)間為60min，自然冷卻至室溫，得到致密的ZrB2超高溫陶瓷材料。將上述方法制備的ZrB2超高溫陶瓷材料用掃描電鏡進(jìn)行顯微組織觀察，可以看出中間相浙青基炭纖維很好的保持原始的長徑比特征，且沿垂直熱壓方向均勻的定向分布在基體中；對(duì)上述方法制備的ZrB2超高溫陶瓷材料用排水法進(jìn)行密度測(cè)試，可知材料致密性良好，相對(duì)密度為97.14% ；對(duì)上述方法制備的ZrB2超高溫陶瓷材料用激光脈沖法進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)試，可知材料垂直熱壓方向的室溫?zé)釋?dǎo)率為90.31ff/(m K)，高溫(1500°C)熱導(dǎo)率為67.91ff/(m K)。實(shí)施例2一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷，該超高溫陶瓷包括硼化鋯粉末和中間相浙青基炭纖維；其中硼化鋯粉末平均粒徑為2微米，其純度為99.2% ;中間相浙青基炭纖維平均直徑為10微米，其軸向?qū)嵯禂?shù)為523W/(m.Κ);以超高溫陶瓷的總體積為100份計(jì)算，硼化鋯粉末的體積份數(shù)為80份，中間相浙青基炭纖維的體積份數(shù)為20份?！N高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷的制備方法，該方法的具體步驟為:I)將IOg中間相浙青基炭纖維剪成長Imm的短切纖維，放入IOOOg無水乙醇中分散，分散時(shí)采用超聲波進(jìn)行分散，得到混合物；2)將120g硼化鋯粉末和步驟I)得到的混合物在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行混合，球磨時(shí)間為30h，為防止硼化鋯粉末和中間相浙青基炭纖維在球磨過程中分層，球磨機(jī)混料時(shí)轉(zhuǎn)速為250rpm ;混好后將得到的漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上蒸發(fā)烘干，得到混合粉料；3)研磨:將步驟3)得到的混合粉料用瑪瑙研缽反復(fù)研磨并過篩；4)燒結(jié):將步驟3)研磨后的混合粉料于真空或惰性氣氛中熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1900°C，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)時(shí)間為60min，自然冷卻至室溫，得到致密的ZrB2超高溫陶瓷材料。將上述方法制備的ZrB2超高溫陶瓷材料用掃描電鏡進(jìn)行顯微組織觀察，可以看出中間相浙青基炭纖維很好的保持原始的長徑比特征，且沿垂直熱壓方向均勻的定向分布在基體中；對(duì)上述方法制備的ZrB2超高溫陶瓷材料用排水法進(jìn)行密度測(cè)試，可知材料致密性良好，相對(duì)密度為98.15% ；對(duì)上述方法制備的ZrB2超高溫陶瓷材料用激光脈沖法進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)試，可知材料垂直熱壓方向的室溫?zé)釋?dǎo)率為98.02ff/(m.K)，高溫(1500°C)熱導(dǎo)率為74.81ff/(m.K)。實(shí)施例3一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷，該超高溫陶瓷包括硼化鋯粉末和中間相浙青基炭纖維；其中硼化鋯粉末平均粒徑為2微米，其純度為99.2% ;中間相浙青基炭纖維平均直徑為10微米，其軸向?qū)嵯禂?shù)為523W/ (m.K)；以超高溫陶瓷的總體積為100份計(jì)算，硼化鋯粉末的體積份數(shù)為90份，中間相浙青基炭纖維的體積份數(shù)為10份。一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷的制備方法，該方法的具體步驟為:I)將IOg中間相浙青基炭纖維剪成長Imm的短切纖維，放入IOOOg無水乙醇中分散，分散時(shí)采用超聲波進(jìn)行分散，得到混合物；2)將270g硼化鋯粉末和步驟I)得到的混合物在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行混合，球磨時(shí)間為30h，為防止硼化鋯粉末和中間相浙青基炭纖維在球磨過程中分層，球磨機(jī)混料時(shí)轉(zhuǎn)速為250rpm ;混好后將得到的漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上蒸發(fā)烘干，得到混合粉料；3)研磨:將步驟3)得到的混合粉料用瑪瑙研缽反復(fù)研磨并過篩；4)燒結(jié):將步驟3)研磨后的混合粉料于真空或惰性氣氛中熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1900°C，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)時(shí)間為60min，自然冷卻至室溫，得到致密的ZrB2超高溫陶瓷材料。將上述方法制備的ZrB2超高溫陶瓷材料用掃描電鏡進(jìn)行顯微組織觀察，可以看出中間相浙青基炭纖維很好的保持原始的長徑比特征，且沿垂直熱壓方向均勻的定向分布在基體中；對(duì)上述方法制備的ZrB2超高溫陶瓷材料用排水法進(jìn)行密度測(cè)試，可知材料致密性良好，相對(duì)密度為 95.23% ；
對(duì)上述方法制備的ZrB2超高溫陶瓷材料用激光脈沖法進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)試，可知材料垂直熱壓方向的室溫?zé)?導(dǎo)率為107.9ff/(m K)，高溫(1500°C)熱導(dǎo)率為87.81ff/(m K)。
權(quán)利要求
1.一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷，其特征在于該超高溫陶瓷包括硼化鋯粉末和中間相浙青基炭纖維；以超高溫陶瓷的總體積為100份計(jì)算，硼化鋯粉末的體積份數(shù)為70-90份，中間相浙青基炭纖維的體積份數(shù)為10-30份。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷，其特征在于硼化鋯粉末平均粒徑為I 2微米，其純度≥99%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷，其特征在于中間相浙青基炭纖維直徑為7 10微米，其軸向?qū)嵯禂?shù)≥500ff/(m K)。
4.一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟為 1)將中間相浙青基炭纖維剪成長0.5-2mm的短切纖維，分散在無水乙醇中，得到混合物； 2)將硼化鋯粉末和步驟I)得到的混合物在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行混合，球磨時(shí)間為10-30h，球磨機(jī)混料時(shí)轉(zhuǎn)速≥ 200rpm ;混好后將得到的漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上蒸發(fā)烘干，得到混合粉料； 3)研磨將步驟3)得到的混合粉料用瑪瑙研缽研磨并過篩； 4)燒結(jié)將步驟3)研磨后的混合粉料于真空或惰性氣氛中熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1800 2000°C，燒結(jié)壓力為20 60MPa，燒結(jié)時(shí)間為30 120min，自然冷卻至室溫，得到致密的ZrB2超高溫陶瓷材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷的制備方法，其特征在于步驟I)中中間相浙青基炭纖維分散時(shí)采用超聲波進(jìn)行分散。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷的制備方法，其特征在于步驟I)中中間相浙青基炭纖維與無水乙醇的質(zhì)量比為1:80-120。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高熱導(dǎo)率ZrB2超高溫陶瓷及其制備方法，具體為利用熱壓燒結(jié)法制備高熱導(dǎo)纖維增韌ZrB2超高溫陶瓷的方法以及復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提高方法，屬于高溫陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。該超高溫陶瓷包括硼化鋯粉末和中間相瀝青基炭纖維。采用本發(fā)明制備的ZrB2基超高溫陶瓷，其室溫?zé)釋?dǎo)率達(dá)100W/(m·K)，高于國內(nèi)外報(bào)道的純ZrB2超高溫陶瓷材料(約60W/(m·K))。
文檔編號(hào)C04B35/622GK103253941SQ201310172949
公開日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2013年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月10日
發(fā)明者孫新, 周延春, 李軍平, 馮志海 申請(qǐng)人:航天材料及工藝研究所, 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院