本發(fā)明屬于復(fù)合陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

過渡金屬的碳化物、硼化物一般擁有較高的熔點(diǎn)與硬度，但單一的過渡金屬的碳化物、硼化物由于其固有脆性，其抗熱沖擊性能還需進(jìn)一步提高。同時(shí)，硼化物與碳化物在高溫下抗氧化性能也較差，限制了其在超高溫結(jié)構(gòu)材料上的應(yīng)用。將硼化物與碳化物通過一定的技術(shù)手段結(jié)合起來制備出的高溫復(fù)合陶瓷材料具有熔點(diǎn)高、耐燒蝕、力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，常被用作超高溫結(jié)構(gòu)材料以及精密加工刀具材料。

盡管zrc-zrb2-sic三元復(fù)合陶瓷目前已經(jīng)得到了廣泛的研究，但目前已有的文獻(xiàn)中均使用固相燒結(jié)法進(jìn)行制備。由于zrc、zrb2與sic熔點(diǎn)高，且熱擴(kuò)散系數(shù)低，故想獲得力學(xué)性能優(yōu)良，致密度高的zrc-zrb2-sic三元復(fù)合陶瓷，必須在高溫下長時(shí)間燒結(jié)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷材料，采用定向凝固燒結(jié)法制備出一種具有zrc-zrb2-sic三元共晶組成的復(fù)合陶瓷材料，該材料具有共晶自生陶瓷的優(yōu)異特征，且兼具zrc、zrb2、sic三者優(yōu)異的性能特點(diǎn)，能作為精密加工刀具材料和高溫結(jié)構(gòu)材料使用，適合推廣應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷材料，它以zrc、zrb2、sic粉末為原料，采用定向凝固工藝制備而成，各原料所占摩爾百分比為：zrc10-30％，zrb220-40％，sic30-70％。

優(yōu)選的，所述zrc所占摩爾百分比為18-22％。

優(yōu)選的，所述zrb2所占摩爾百分比為30-36％。

優(yōu)選的，所述sic所占摩爾百分比為44-50％。

上述方案中，所述zrc粉末的質(zhì)量純度為99.5％以上；zrb2粉末的質(zhì)量純度為99.5％以上；所述sic粉末為β-sic，純度為99％以上。

上述方案中，所述定向凝固工藝為：將原料混合均勻后進(jìn)行壓坯至片狀，然后加熱進(jìn)行快速熔融，再在冷卻水的作用下，進(jìn)行定向冷卻、凝固。

上述方案中，所述熔融溫度為2400-2600k，時(shí)間為30-40s。

上述方案中，所述熔融過程中的厚度方向上的溫度梯度為3000℃/cm以上

上述方案中，所述定向冷卻步驟中的厚度方向上的溫度梯度為3000℃/cm以上，冷卻速率大于50℃/s。

優(yōu)選的，所述定向冷卻步驟中的厚度方向上的溫度梯度為3000～4000℃，冷卻速率為100～150℃。

上述一種zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷材料的制備方法，具體步驟如下：

1)原料的稱取，按如下配比稱取各原料，各原料所占摩爾百分比為：zrc10-30％，zrb220-40％，sic30-70％；

2)將稱取的原料粉末混合均勻，然后進(jìn)行壓坯至片狀，所得坯體厚度為3-8mm；

3)將步驟2)所得片狀坯體置于電弧熔煉爐中，加熱進(jìn)行熔融，然后在冷卻水的作用進(jìn)行定向冷卻、凝固，即得所述zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷，它具有共晶結(jié)構(gòu)和特定的生長方向。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1)本發(fā)明首次提出采用定向凝固技術(shù)制備zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷材料，有效綜合zrc、zrb2、sic三者的優(yōu)異性能，所得復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能，可用作精加工刀具材料和超高溫陶瓷材料，具有非常廣泛的用途，如：機(jī)械加工刀具、高溫電極、爐膛原件、火箭發(fā)動機(jī)、機(jī)翼前緣、飛行器鼻錐以及超音速飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)等。

2)本發(fā)明所得復(fù)合陶瓷材料中，相與相之間的連接界面是熔體自生復(fù)合而成，相界面配合性好、界面干凈，且結(jié)合強(qiáng)度高；切共晶組織細(xì)小，有利于提升。

3)本發(fā)明采用定向凝固法制備出的材料相比于傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制備出的產(chǎn)品具有更加優(yōu)異的機(jī)械性能，且具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，可在更為苛刻的環(huán)境下應(yīng)用，有效拓寬其實(shí)用范圍。

4)本發(fā)明涉及的制備工藝簡單，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)指導(dǎo)。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1所得產(chǎn)物的xrd圖譜。

圖2為實(shí)施例1所得產(chǎn)物的bse圖譜。

圖3為實(shí)施例2所得產(chǎn)物的xrd圖譜。

圖4為實(shí)施例2所得產(chǎn)物的bse圖譜。

圖5為實(shí)施例3所得產(chǎn)物的xrd圖譜。

圖6為實(shí)施例3所得產(chǎn)物的bse圖譜。

圖7為實(shí)施例4所得產(chǎn)物的xrd圖譜。

圖8為實(shí)施例4所得產(chǎn)物的bse圖譜。

具體實(shí)施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。

以下實(shí)施例中，采用的zrc為市售高純度zrc粉末，純度為99.5％(質(zhì)量)；zrb2為市售高純度zrb2粉末，純度為99.5％(質(zhì)量)；sic為市售高純度β-sic粉末，純度為99％(質(zhì)量)。

實(shí)施例1

一種zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷材料，其制備方法包括如下步驟：

1)原料的稱取，按如下配比稱取各原料，各原料所占摩爾百分比為：zrc20％，zrb230％，sic50％；

2)將稱取的原料粉末置于球磨機(jī)中混合均勻，然后以10mpa的壓力進(jìn)行壓坯至片狀，所得坯體的厚度為5mm左右；

3)將步驟2)所得片狀坯體至于電弧熔煉爐中，在氬氣保護(hù)氣氛下，在2600k的溫度下快速熔融30s(厚度方向溫度梯度為3000℃/cm)，然后在冷卻水的作用進(jìn)行定向冷卻、凝固(厚度方向溫度梯度為3000℃/cm，冷卻速率為100℃/s)，即得所述zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷。

圖1為本實(shí)施例所得產(chǎn)物的xrd圖譜，圖中只有zrc、zrb2以及sic的衍射峰，并無其他物質(zhì)生成。圖2為本實(shí)施例所得產(chǎn)物的背散射圖譜，可以觀察到分布較均勻的三元共晶結(jié)構(gòu)。

將本實(shí)施例所得產(chǎn)物進(jìn)行機(jī)械性能測試：在壓力作用為4.9n，測試時(shí)間為10s時(shí)，測得的維式硬度為21gpa，斷裂韌性為5.59mpam^1/2，優(yōu)于大部分固相燒結(jié)法所制備出的zrc-zrb2-sic三元復(fù)合陶瓷材料(wu等人利用熱壓燒結(jié)法制備出的zrc-zrb2-sic復(fù)相陶瓷，其維氏硬度為16.7gpa斷裂韌性為5.1mpam^1/2)以及本發(fā)明制備的其他非完全三元共晶結(jié)構(gòu)的zrc-zrb2-sic三元復(fù)合陶瓷材料。

將本實(shí)施例所得產(chǎn)物進(jìn)行電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率測試：在287至800k的溫度范圍中，電導(dǎo)率為7.2×10⁷-1.75×10⁶sm^-1；在298至973k的溫度范圍中，其熱導(dǎo)率為85-61wk^-1m^-1。

實(shí)施例2

一種zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷材料，其制備方法包括如下步驟：

1)原料的稱取，按如下配比稱取各原料，各原料所占摩爾百分比為其中zrc20％，zrb240％，sic40％；

2)將稱取的原料粉末置于球磨機(jī)中混合均勻，然后以10mpa的壓力進(jìn)行壓坯至片狀，坯體的厚度在5mm左右；

3)將步驟2)所得片狀坯體至于電弧熔煉爐中，在氬氣保護(hù)氣氛下，在2600k的溫度下快速熔融30s(厚度方向溫度梯度為3000℃/cm)，然后在冷卻水的作用進(jìn)行定向冷卻、凝固(厚度方向溫度梯度為3000℃/cm，冷卻速率為100℃/s)，即得所述zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷。

圖3為本實(shí)施例所得產(chǎn)物的xrd圖譜，圖中只有zrc、zrb2以及sic的衍射峰，并無其他物質(zhì)生成。圖4為本實(shí)施例所得產(chǎn)物的背散射圖譜，圖中可以觀察到分布較均勻的三元共晶結(jié)構(gòu)，除此之外，還有葉脈狀的zrb2與zrc的二元共晶結(jié)構(gòu)。

將本實(shí)施例所得產(chǎn)物進(jìn)行機(jī)械性能測試：在壓力作用為4.9n，測試時(shí)間為10s時(shí)，測得的維式硬度為19.9gpa，斷裂韌性為5.16mpam^1/2，低于實(shí)施例1所得zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷材料。

實(shí)施例3

一種zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷材料，其制備方法包括如下步驟：

1)原料的稱取，按如下配比稱取各原料，各原料所占摩爾百分比為：zrc10％，zrb220％，sic70％；

2)將稱取的原料粉末置于球磨機(jī)中混合均勻，然后以10mpa的壓力進(jìn)行壓坯至片狀，所得坯體的厚度在5mm左右；

3)將步驟2)所得片狀坯體至于電弧熔煉爐中，在氬氣保護(hù)氣氛下，在2600k的溫度下快速熔融30s(厚度方向溫度梯度為3000℃/cm)，然后在冷卻水的作用進(jìn)行定向冷卻、凝固(厚度方向溫度梯度為3000℃/cm，冷卻速率為100℃/s)，即得所述zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷。

圖5為本實(shí)施例所得產(chǎn)物的xrd圖譜，圖中只有zrc、zrb2以及sic的衍射峰，并無其他物質(zhì)生成。圖6為本實(shí)施例所得產(chǎn)物的背散射圖譜，圖中可以觀察到分布較均勻的三元共晶結(jié)構(gòu)，除此之外還有棒狀的sic的相結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例4

一種zrc-zrb2-sic三元高溫共晶復(fù)合陶瓷材料，其制備方法包括如下步驟：

1)原料的稱取，按如下配比稱取各原料，各原料所占摩爾百分比為：zrc30％，zrb220％，sic50％；

2)將稱取的原料粉末置于球磨機(jī)中混合均勻，然后以10mpa的壓力進(jìn)行壓坯至片狀，坯體的厚度在5mm左右；

3)將步驟2)所得片狀坯體至于電弧熔煉爐中，在氬氣保護(hù)氣氛下，在2600k的溫度下快速熔融30s(厚度方向溫度梯度為3000℃/cm)，然后在冷卻水的作用進(jìn)行定向冷卻、凝固(厚度方向溫度梯度為3000℃/cm，冷卻速率為100℃/s)，即得所述zrc-zrb2-sic三元共晶復(fù)合陶瓷。

圖7為本實(shí)施例所得產(chǎn)物的xrd圖譜，圖中只有zrc、zrb2以及sic的衍射峰，并無其他物質(zhì)生成。圖8為本實(shí)施例所得產(chǎn)物的背散射圖譜，圖中可以觀察到且可以觀察到分布較均勻的三元共晶結(jié)構(gòu)以及長條狀的sic與zrc二元共晶結(jié)構(gòu)。

將本實(shí)施例所得產(chǎn)物進(jìn)行導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性的測試：在287至800k的溫度范圍中，其電導(dǎo)率為7.15×10⁷-1.47×10⁶sm^-1；在298至973k的溫度范圍中，其熱導(dǎo)率為46-48wk^-1m^-1。

上述結(jié)果表明，本發(fā)明所得zrc-zrb2-sic三元高溫共晶復(fù)合陶瓷材料具有均勻的三元共晶結(jié)構(gòu)，共晶組織細(xì)小、均勻、可呈現(xiàn)出取向一致的棒狀結(jié)構(gòu)，且相與相之間界面配合性好、非常干凈，可表現(xiàn)出優(yōu)異的宏觀機(jī)械性能，具有良好的硬度與斷裂韌性；此外所得產(chǎn)物的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性能優(yōu)良；應(yīng)用前景廣闊，適用于機(jī)械加工刀具、高溫電極、爐膛原件、火箭發(fā)動機(jī)、機(jī)翼前緣、飛行器鼻錐以及超音速飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域。

上述實(shí)施例僅僅是為了清楚地說明所做的實(shí)例，而并非對實(shí)施方式的限制。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化或者變動，這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉，因此所引申的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之內(nèi)。