采用液相燒結(jié)制備以氧化鋯為增韌相的碳化硅陶瓷的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采用液相燒結(jié)制備以氧化鋯為增韌相的碳化硅陶瓷的方法，所述方法包括：1）將含有SiC粉體、Al2O3粉體、Y2O3粉體和ZrO2粉體的原料與溶劑均勻混合得到碳化硅陶瓷漿料；2）將碳化硅陶瓷漿料干燥后、粉碎、研磨、過篩得到碳化硅陶瓷粉體；3）將碳化硅陶瓷粉體通過干壓、等靜壓處理得到碳化硅陶瓷素坯；4）將碳化硅陶瓷素坯燒結(jié)。
【專利說明】采用液相燒結(jié)制備以氧化鋯為增韌相的碳化硅陶瓷的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于碳化硅陶瓷領(lǐng)域，具體涉及一種采用液相燒結(jié)制備以氧化鋯為增韌相 的碳化硅陶瓷的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 碳化硅陶瓷由于具有高硬度，高強度，高熱導(dǎo)，熱膨脹系數(shù)低，耐磨損，耐酸堿腐蝕 性強，抗氧化性強等特點而成為一種非常重要的工程材料。但是與大多數(shù)陶瓷材料一樣， 碳化硅陶瓷也具有斷裂韌性低的特點，這限制了碳化硅陶瓷的大規(guī)模應(yīng)用。無壓液相燒結(jié) 技術(shù)降低了碳化硅陶瓷燒結(jié)致密化所需的溫度，使得獲得的碳化硅陶瓷具有均勻的細晶結(jié) 構(gòu)。這使得液相燒結(jié)碳化硅陶瓷相比于傳統(tǒng)的反應(yīng)燒結(jié)和固相燒結(jié)碳化硅陶瓷具有較好的 力學(xué)性能，尤其是斷裂韌性。但是液相燒結(jié)碳化硅陶瓷的斷裂韌性依然差強人意，離實現(xiàn)實 際應(yīng)用尚有距離。因而，提高碳化硅陶瓷斷裂韌性是實現(xiàn)碳化硅陶瓷大規(guī)模應(yīng)用的必經(jīng)之 路。Bucevac等學(xué)者通過加入Ti0 2, B4C和C進行原位反應(yīng)生成TiB2來達到增韌SiC陶瓷的 目的，在TiB 2含量為30V〇1%得到了斷裂韌性高達5. 7MPa m1/2的SiC陶瓷。Kim等人則通 過添加 TiC來對SiC陶瓷進行增韌，在TiC含量為30wt %時，獲得了斷裂韌性高達7. 8MPa m1/2的SiC陶瓷。這些方法雖然都在一定程度上提高了 SiC陶瓷的斷裂韌性，但是大量這些 物質(zhì)的加入勢必會對SiC陶瓷的無壓燒結(jié)致密化造成影響。因此，該領(lǐng)域迫切需要一種以 摻雜少量增韌相制備碳化硅陶瓷，以減少對碳化硅陶瓷致密化不利影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有碳化硅陶瓷制備方法的不足，本發(fā)明提供了一種以氧化鋯為 增韌相的碳化硅陶瓷的制備方法。
[0004] 本發(fā)明提供了一種采用液相燒結(jié)制備以氧化鋯為增韌相的碳化硅陶瓷的方法，所 述方法包括： 1) 將含有SiC粉體、A1203粉體、Y203粉體和Zr0 2粉體的原料與溶劑均勻混合得到碳化 硅陶瓷漿料，其中，A1203粉體占原料的2. 19-4. 38wt %，Y203粉體占原料的2. 81-5. 62wt %， Zr02粉體占原料的l-5wt%，原料中其余部分為SiC粉體； 2) 將步驟1)制備的碳化硅陶瓷漿料干燥后、粉碎、研磨、過篩得到碳化硅陶瓷粉體； 3) 將步驟2)制備的碳化硅陶瓷粉體通過干壓、等靜壓處理得到碳化硅陶瓷素坯； 4) 將步驟3)制備的碳化硅陶瓷素坯在氬氣氣氛、1850-1950°C下燒結(jié)，即得所述以氧 化鋯為增韌相的碳化硅陶瓷。
[0005] 本發(fā)明的增韌機理在于Zr02與SiC的原位反應(yīng)：Zr02+3SiC = ZrC+3Si(l)+2C0(g)。反應(yīng)所得產(chǎn)物與SiC之間熱膨脹系數(shù)失配，導(dǎo)致殘余應(yīng)力場的產(chǎn)生。 殘余應(yīng)力場誘導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)，使得斷裂韌性得以提高。
[0006] 較佳地，步驟1)中，所述SiC粉體、所述A1203粉體和所述Y 203粉體的平均粒徑可 為0· 2-0. 8 μ m，所述SiC粉體可為a -SiC粉體。
[0007] 較佳地，步驟1)中，所述Zr02粉體的純度可> 98wt %，平均粒徑可為0. 5-2 μ m。
[0008] 較佳地，步驟1)中，A1203粉體和Y20 3粉體的摩爾比可為5:5?5: 3。
[0009] 較佳地，步驟1)中，原料與溶劑的均勻混合可通過濕法球磨實現(xiàn)，所述原料與SiC 球研磨介質(zhì)的質(zhì)量比可為1 : (1-3)。
[0010] 較佳地，步驟1)中，步驟1)中，碳化硅陶瓷漿料的固含量可為40?60%。
[0011] 較佳地，步驟3)中，干壓的參數(shù)可為：干壓壓力為10-60MPa，干壓時間為1?5分 鐘。
[0012] 較佳地，步驟3)中，等靜壓的參數(shù)可為：等靜壓壓力為100_300MPa，等靜壓時間為 1?10分鐘。
[0013] 較佳地，步驟1)中制備的陶瓷漿料中還含有粘結(jié)劑，步驟3)中等靜壓處理之后還 有脫粘工藝，脫粘的參數(shù)可為：脫粘溫度600?1000°C，脫粘時間60?120分鐘。
[0014] 較佳地，步驟4)中，燒結(jié)工藝中的保溫時間可為30-120分鐘，升溫速率可為2? 10°C /分鐘。
[0015] 本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明中通過摻雜少量的增韌相使得碳化硅陶瓷的斷裂韌性得以提高。本發(fā)明在同一 燒結(jié)制度下1920°c -lh，通過添加不同含量Zr02粉體，得到了不同密度和力學(xué)性能的液相 燒結(jié)SiC陶瓷，維氏硬度最高可達25. 3GPa，抗彎強度最高可達586MPa，斷裂韌性最高可達 5. 97MPa m1/2。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1示出了本發(fā)明的一個實施方式中Zr02粉體占原料的lwt%時無壓液相燒結(jié)制 備的SiC陶瓷的裂紋形貌微結(jié)構(gòu)圖； 圖2示出了本發(fā)明的一個實施方式中Zr02粉體占原料的3wt %時無壓液相燒結(jié)制備的 SiC陶瓷的裂紋形貌微結(jié)構(gòu)圖； 圖3示出了本發(fā)明的一個實施方式中Zr02粉體占原料的5wt%時無壓液相燒結(jié)制備的 SiC陶瓷的裂紋形貌微結(jié)構(gòu)圖； 圖4示出了本發(fā)明的一個實施方式中Zr02粉體占原料的5wt%時無壓液相燒結(jié)制備的 SiC陶瓷的物相分析圖。

【具體實施方式】
[0017] 以下結(jié)合附圖和下述實施方式進一步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實施方式 僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0018] 本發(fā)明涉及一種以氧化鋯為增韌相的液相燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備方法，屬于碳化 硅陶瓷領(lǐng)域。其特征在于選用a-SiC粉體為原料之一，氧化鋁和氧化釔為燒結(jié)助劑；氧 化鋯粉體為增韌相。燒結(jié)助劑粉體占原料粉體總量的5wt%?10wt%，氧化鋯粉體占原料 粉體總量的lwt%?5wt% ;將原料配制成40wt% -60wt%的漿料；然后以SiC球作為球 磨介質(zhì)，行星球磨，烘干，粉碎，過篩，干壓和等靜壓，脫粘后，在氬氣氣氛下燒結(jié)。本發(fā)明一 個實施方式中制備得到的液相燒結(jié)碳化硅陶瓷的維氏硬度為23. 6-25. 3GPa，抗彎強度為 513-586MPa，斷裂韌性為 5. 17-5. 97MPa m1/2。
[0019] 本發(fā)明提供了一種氧化鋯為增韌相的液相燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備方法，包括以下 步驟： (a) 以a -SiC粉體，A1203粉體，Y203粉體和Zr0 2粉體作為初始原料;A1203粉體和 Y2〇3粉體的摩爾比例為5 :3, A1203粉體占原料總量的2. 19?4. 38wt%，Y203粉體占總量的 2. 81?5. 62wt%，Zr02粉體占粉體總量的1?5wt% ; (b) 以酒精為溶劑，將原料配成40-60wt %的漿料，以SiC球為研磨介質(zhì)，混合，烘干，研 磨，過篩，干壓，等靜壓，脫粘后，在氬氣氣氛中燒結(jié)。
[0020] 所述a -SiC粉體，A1203粉體和Y203粉體的平均粒徑為0. 2?0. 8 μ m。
[0021] 所述原料與SiC球研磨介質(zhì)的質(zhì)量比為1:1?1:3。
[0022] 所述Zr02粉體的純度> 98wt %，平均粒徑為0. 5?2 μ m。
[0023] 所述干壓壓力為lOMPa?60MPa。
[0024] 所述等靜壓壓力為lOOMPa?300MPa。
[0025] 所述燒結(jié)溫度為1850-1950°C，保溫時間為30-120min。
[0026] 氧化鋯陶瓷素以斷裂韌性高而著稱，因此本發(fā)明通過引入低含量的Zr02增強相， 以氧化鋁以及氧化釔作為燒結(jié)助劑，通過無壓液相燒結(jié)法來制備高斷裂韌性的碳化硅陶 瓷。相比于無 Zr02增強相的無壓液相燒結(jié)碳化硅陶瓷，其斷裂韌性得到了顯著提高。
[0027] 本發(fā)明的增韌機理在于Zr02與SiC的原位反應(yīng)：Zr02+3SiC = ZrC+3Si(l)+2C0(g)。反應(yīng)所得產(chǎn)物與SiC之間熱膨脹系數(shù)失配，導(dǎo)致殘余應(yīng)力場的產(chǎn)生。 殘余應(yīng)力場誘導(dǎo)裂紋偏轉(zhuǎn)，使得斷裂韌性得以提高。
[0028] 本發(fā)明在同一燒結(jié)制度下1920°C _lh，通過添加不同含量Zr02粉體，得到了不 同密度和力學(xué)性能的液相燒結(jié)SiC陶瓷，維氏硬度最高可達25. 3GPa，抗彎強度最高可達 586MPa，斷裂韌性最高可達5. 97MPa m1/2。
[0029] 表1為不同Zr02粉體含量（燒結(jié)溫度1920°C、時間lh)的無壓液相燒結(jié)SiC陶瓷 力學(xué)性能。從表中可以看出，隨著添加 Zr02含量的增加，SiC陶瓷的斷裂韌性增強。
[0030]

【權(quán)利要求】
1. 一種采用液相燒結(jié)制備以氧化鋯為增韌相的碳化硅陶瓷的方法，其特征在于，所述 方法包括： 1) 將含有Sic粉體、A1203粉體、Y203粉體和Zr0 2粉體的原料與溶劑均勻混合得到碳化 硅陶瓷漿料，其中，A1203粉體占原料的2. 19-4. 38 wt%，Y203粉體占原料的2. 81-5. 62wt%， Zr02粉體占原料的l-5wt%，原料中其余部分為SiC粉體； 2) 將步驟1)制備的碳化硅陶瓷漿料干燥后、粉碎、研磨、過篩得到碳化硅陶瓷粉體； 3) 將步驟2)制備的碳化硅陶瓷粉體通過干壓、等靜壓處理得到碳化硅陶瓷素坯； 4) 將步驟3)制備的碳化硅陶瓷素坯在氬氣氣氛、1850-1950°C下燒結(jié)，即得所述以氧化 鋯為增韌相的碳化硅陶瓷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1)中，所述SiC粉體、所述A1203粉 體和所述Y 2〇3粉體的平均粒徑為〇. 2-0. 8 μ m，所述SiC粉體為a -SiC粉體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟1)中，所述Zr02粉體的純度> 98wt%，平均粒徑為0· 5-2 μ m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，步驟1)中，A1203粉體和Y20 3粉 體的摩爾比為5:5-5:3。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，步驟1)中，原料與溶劑的均勻混 合通過濕法球磨實現(xiàn)，所述原料與SiC球研磨介質(zhì)的質(zhì)量比為1 : (1-3)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，步驟1)中，碳化硅陶瓷漿料的固 含量為40-60%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于，步驟3)中，干壓的參數(shù)為：干壓 壓力為l〇_6〇MPa，干壓保壓時間為1-5分鐘。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于，步驟3)中，等靜壓的參數(shù)為：等 靜壓壓力為100-300MPa，等靜壓保壓時間為1-10分鐘。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一所述的方法，其特征在于，步驟1)中制備的陶瓷漿料 中還含有粘結(jié)劑，步驟3)中等靜壓處理之后還有脫粘工藝，脫粘的參數(shù)為：脫粘溫度 600-1000°C，脫粘時間60-120分鐘。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一所述的方法，其特征在于，步驟4)中，燒結(jié)工藝中的保溫 時間為30-120分鐘，升溫速率為2-10°C /分鐘。
【文檔編號】C04B35/622GK104140265SQ201410363201
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】梁漢琴, 黃政仁, 劉學(xué)建, 姚秀敏 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所