一種制備HfC-SiC復相陶瓷的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制備HfC-SiC復相陶瓷的方法，其包括如下步驟：a)制備HfC-Si3N4-C混合粉體；b)制備HfC-Si3N4-C生坯；c)先在惰性氣氛或真空條件下于800～1400℃保溫1～2小時，制得HfC-SiC坯體，再在惰性氣氛中于1900～2300℃下繼續(xù)燒結(jié)0.5～1小時，制得HfC-SiC復相陶瓷。本發(fā)明所制備的HfC-SiC復相陶瓷的致密度高達100%、平均晶粒尺寸均小于1μm；在惰性氣氛下可耐2300℃高溫，且相組成穩(wěn)定；在1500℃的四點彎曲強度可達到350MPa以上；另外，本發(fā)明方法還具有原料價廉易得、制備工藝簡單、可操控性強、容易實現(xiàn)規(guī)模化等優(yōu)點。
【專利說明】—種制備HfC-SiC復相陶瓷的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備HfC-SiC復相陶瓷的方法，屬于耐高溫陶瓷制備【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，在已知的耐高溫陶瓷體系中，HfC熔點最高，達3950°C，其有望在2500°C以上的極限高溫環(huán)境中得到應(yīng)用。但是，HfC的自擴散系數(shù)低，燒結(jié)致密化十分困難，通常需在較高溫度下燒結(jié)。而在高溫燒結(jié)的過程中HfC晶粒容易快速長大，導致了 HfC陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)粗糙。Sciti等利用放電等離子體燒結(jié)技術(shù)在2400°C以上的高溫下制備了單相HfC陶瓷,所得陶瓷的晶粒較粗大,平均晶粒尺寸達19 μ m(Journal of the AmericanCeramic Society, 91 [5] 1433-14402008.) ；Sanders 等米用粒徑為 3.04 μ m 的商業(yè)HfC粉體在2330°C下熱壓燒結(jié)HfC陶瓷，所得陶瓷顯微結(jié)構(gòu)也較粗糙，平均晶粒尺寸達22 μ m(NASATN, D-303, 1-151960.)。一般而言，材料內(nèi)部晶粒粗大，會導致材料的抗彎強度較低，使得材料性能不能滿足服役要求，所以，晶粒細化是HfC陶瓷發(fā)展中亟待解決的瓶頸問題之一。
[0003]理論研究表明，當材料內(nèi)部晶粒尺寸在10nm以上時，材料的強度與晶粒尺寸之間的關(guān)系可表示為σ = 0(l+kd_1/2，其中:0為材料的強度，σ ^為材料內(nèi)部位錯運動的臨界應(yīng)力，k為材料的本征強化常數(shù)，d是平均晶粒尺寸(Journal of the Iron and SteelInstitute, 17425-28，1953.)。從上述關(guān)系式可見:材料的晶粒越細小，其強度越高。所以，降低材料的晶粒尺寸，有利于提聞材料的強度。
[0004]研究表明:向TiC、TaC等過渡金屬碳化物的基體中添加SiC第二相粒子，可以有效地阻礙基體晶粒的生長，促使晶粒細化(Joural of MaterialsScience, 394515-45192004 !Materials Science and Engineering A,529[25]479 -4842011.)。但HfC陶瓷在高溫燒結(jié)過程中對氧雜質(zhì)非常敏感，而細小的SiC粒子表面總是存在一層S12雜質(zhì)，該S12雜質(zhì)會導致HfC陶瓷在高溫燒結(jié)過程中發(fā)生晶粒粗化，使得材料HfC陶瓷力學性能較差。因此，如何在添加SiC粒子時避免將其表面的S12雜質(zhì)帶入HfC基體中，從而實現(xiàn)細晶HfC-SiC復相陶瓷的制備，對HfC耐高溫陶瓷的開發(fā)、應(yīng)用具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題和缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種制備HfC-SiC復相陶瓷的方法，以獲得晶粒細小的HfC-SiC復相陶瓷。
[0006]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]一種制備HfC-SiC復相陶瓷的方法，包括如下步驟:
[0008]a)按摩爾比為(3~22.5): 1:3稱取HfC、Si3N4和炭黑各粉體，濕法球磨使混合均勻，得到HfC-Si3N4-C混合粉體；
[0009]b)將步驟a)得到的混合粉體制備成HfC-Si3N4-C生坯；
[0010]c)將步驟b)得到的HfC-Si3N4-C生坯先在惰性氣氛或真空條件下于800~1400°C保溫1~2小時，得到HfC-SiC坯體，再在惰性氣氛中于1900~2300°C下繼續(xù)燒結(jié)0.5~1小時，即得HfC-SiC復相陶瓷。
[0011 ] 所述HfC粉體優(yōu)選粒徑為0.1~1. 5 μ m，純度≥99wt%。
[0012]所述Si3N4粉體優(yōu)選粒徑為0.1~1.5 μ m，純度≥99wt%。
[0013]所述炭黑粉體優(yōu)選粒徑為0.04~0.5 μ m,純度≥99wt%。
[0014]步驟a)中的濕法球磨優(yōu)選乙醇或丙酮作為球磨介質(zhì),優(yōu)選SiC或Si3N4為磨球。
[0015]步驟b)優(yōu)選采用先干壓成型、再在150~350MPa下進行等靜壓處理方法制備HfC-Si3N4-C 生坯。
[0016]所述的惰性氣氛優(yōu)選為氬氣氛。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0018]本發(fā)明采用Si3N4與炭黑在HfC基體中原位反應(yīng)生成細小的SiC粒子，避免了單獨添加SiC粒子時易帶入S12雜質(zhì)的缺陷問題，所制備的HfC-SiC復相陶瓷的致密度高達100%、平均晶粒尺寸均小于I μ m ;在惰性氣氛下可耐2300°C高溫，且相組成穩(wěn)定；在1500°C的四點彎曲強度可達到350MPa以上；另外，本發(fā)明方法還具有原料價廉易得、制備工藝簡單、可操控性強、容易實現(xiàn)規(guī)?；葍?yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為實施例1所制備的復相陶瓷的斷口微觀形貌的SEM圖；
[0020]圖2為實施例2所制備的復相陶瓷的斷口形貌的SEM圖；
[0021]圖3為實施例3所制備的復相陶瓷與單相HfC陶瓷的拋光面微觀形貌的SEM對比圖，其中:a為單相HfC陶瓷；b為HfC-30vol%SiC復相陶瓷；
[0022]圖4為實施例4所制備的復相陶瓷的XRD圖。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明的保護范圍。
[0024]實施例1
[0025]將HfC 粉(0.1 ~1.5ym，99wt%)、Si3N4 粉(0.1 ~1.5 μ m, 99wt%)和炭黑(0.04 ~0.5 μ m, 99wt%)按摩爾比為3.74:1:3進行配料，以乙醇為介質(zhì)、Si3N4球為磨球在輥式球磨機上以200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進行球磨混合24h，再經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到HfC-Si3N4-C混合干粉；將該混合干粉干壓成型后，再于250MPa下等靜壓處理制得HfC-Si3N4-C生坯；然后將該生坯先在真空下、1300°C保溫2h，得到HfC-SiC坯體；再在氬氣氛下于2200°C繼續(xù)燒結(jié)0.5h，即得HfC-40vol%SiC復相陶瓷。
[0026]經(jīng)分析:所制備的HfC-40vol%SiC復相陶瓷的致密度達100%，且晶粒細小，其中HfC相的平均晶粒尺寸僅為0.8 μ m，SiC相的平均晶粒尺寸僅為I μ m。所得復相陶瓷的斷口微觀形貌如圖1所示。
[0027]實施例2
[0028]將HfC 粉(0.1 ~1.5ym，99wt%)、Si3N4 粉(0.1 ~1.5 μ m, 99wt%)和炭黑(0.04 ~
0.5 μ m, 99wt%)按摩爾比為7.46:1:3進行配料，以丙酮為介質(zhì)、SiC球為磨球在輥式球磨機上以200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進行球磨混合24h，再經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到HfC-Si3N4-C混合干粉；將該混合干粉干壓成型后，再于150MPa下等靜壓處理制得HfC-Si3N4-C生坯；然后將該生坯先在真空下、800°C保溫2h，得到HfC-SiC坯體；再在氬氣氛下于1900°C繼續(xù)燒結(jié)lh，即得HfC-25vol%SiC 復相陶瓷。
[0029]經(jīng)分析:所制備的HfC-25vol%SiC復相陶瓷的致密度達99.7%，且晶粒細小，其中HfC相和SiC相的平均晶粒尺寸均僅為0.9 μ m。所得復相陶瓷的斷口微觀形貌如圖2所示。
[0030]實施例3
[0031]將HfC 粉(0.1 ~1.5ym，99wt%)、Si3N4 粉(0.1 ~1.5 μ m, 99wt%)和炭黑(0.04 ~
0.5 μ m, 99wt%)按摩爾比為5.8:1:3進行配料，以乙醇為介質(zhì)、Si3N4球為磨球在輥式球磨機上以200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進行球磨混合24h，再經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到HfC-Si3N4-C混合干粉；將該混合干粉干壓成型后，再于350MPa下等靜壓處理制得HfC-Si3N4-C生坯；然后將該生坯先在氬氣氛下、1400°C保溫lh，得到HfC-SiC坯體；再在氬氣氛下于2300°C繼續(xù)燒結(jié)0.5小時，即得HfC-30vol%SiC復相陶瓷。
[0032]經(jīng)分析:所制備的HfC-30vol%SiC復相陶瓷的致密度達99.5%，且晶粒細小，其中HfC相和SiC相的平均晶粒尺寸均僅為I μ m ;且所制備的HfC-30vol%SiC復相陶瓷在1500°C下的四點彎曲強度可達365MPa。
[0033]所得復相陶瓷與單相HfC陶瓷的拋光面微觀形貌的對比圖如圖3所示，其中:a為單相HfC陶瓷；b為HfC-30 vol%SiC復相陶瓷；由圖3可見:2300°C /0.5h無壓燒結(jié)所得單相HfC陶瓷的平均晶粒尺寸達2.8 μ m，且拋光面存在一定量的細小氣孔，而同樣燒結(jié)條件下所得的HfC-30vol%SiC復相陶瓷的晶粒細小且其拋光面無明顯氣孔存在。
[0034]實施例4
[0035]將HfC 粉(0.1 ~1.5ym，99wt%)、Si3N4 粉(0.1 ~1.5 μ m, 99wt%)和炭黑(0.04 ~
0.5 μ m, 99wt%)按摩爾比為5.8:1:3進行配料，以乙醇為介質(zhì)、Si3N4球為磨球在輥式球磨機上以200轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速進行球磨混合24h，再經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到HfC-Si3N4-C混合干粉；將該混合干粉干壓成型后，再于200MPa下等靜壓處理制得HfC-Si3N4-C生坯；然后將該生坯先在氬氣氛下、1200°C保溫1.5h，得到HfC-SiC坯體；再在氬氣氛下于2300°C繼續(xù)燒結(jié)0.5小時，即得HfC-30vol%SiC復相陶瓷。
[0036]所制得的復相陶瓷的XRD圖如圖4所示，由圖4可見:所制得的復相陶瓷僅含有HfC和SiC兩相，說明所述的復相陶瓷在惰性氣氛下可耐2300°C高溫，且相組成穩(wěn)定。
[0037]最后有必要在此說明的是:以上實施例只用于對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細地說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種制備HfC-SiC復相陶瓷的方法，其特征在于，包括如下步驟: a)按摩爾比為(3~22.5): 1:3稱取HfC、Si3N4和炭黑各粉體，濕法球磨使混合均勻，得到HfC-Si3N4-C混合粉體； b)將步驟a)得到的混合粉體制備成HfC-Si3N4-C生坯； c)將步驟b)得到的HfC-Si3N4-C生坯先在惰性氣氛或真空條件下于800~1400°C保溫I~2小時，得到HfC-SiC坯體，再在惰性氣氛中于1900~2300°C下繼續(xù)燒結(jié)0.5~I小時，即得HfC-SiC復相陶瓷。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述HfC粉體的粒徑為0.1~1.5 μ m，純度^ 99wt%0
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述Si3N4粉體的粒徑為0.1~1.5 μ m，純度 > 99wt%0
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述炭黑粉體的粒徑為0.04~0.5 μ m,純度 > 99wt%0
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟a)中的濕法球磨以乙醇或丙酮作為球磨介質(zhì)，以SiC或Si3N4為磨球。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟b)采用先干壓成型、再在150~350MPa下進行等靜壓處理方法制備HfC-Si3N4-C生坯。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的惰性氣氛為氬氣氛。
【文檔編號】C04B35/56GK104163628SQ201310185351
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月17日
【發(fā)明者】劉吉軒, 張國軍, 劉海濤 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所