[發明專利]一種ZrB2－SiC－ZrC復相陶瓷材料的制備方法

無效

• 申請號: 200810032275.8
• 申請日: 2008-01-04
• 公開（公告）號: CN101215173A
• 公開（公告）日: 2008-07-09
• 發明（設計）人: 張國軍;吳雯雯;闞艷梅;王佩玲
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/645
• 分類號: C04B35/645;C04B35/569;C04B35/56;C04B35/58
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振黡

技術領域

本發明涉及一種ZrB₂-SiC-ZrC復相陶瓷材料的制備方法。屬于非氧化物基陶瓷材料的制備領域。

背景技術

航空航天飛行技術的發展提出了對新型高溫材料的需求。高超音速飛行器在飛行過程中其尖銳表面，如引擎進氣道，翼緣和頭錐等都會與大氣強烈磨擦而產生高溫，從而需要能在1800-2400℃高溫并有氧存在的環境下能重復使用的材料作為防熱系統。到目前為止能用于未來超音速飛行器防熱體系的材料很少，正在使用中的高溫材料包括碳-碳復合材料和碳化硅基復合材料，如C-SiC，SiC-SiC等，但這些材料的抗氧化溫度通常只是在1600℃以下，人們需要尋找具有更好高溫抗氧化性的新型材料。超高溫陶瓷(UHTCs)是指能在1800℃以上使用的，具有3000℃左右熔點及高溫抗氧化性和抗熱震性的過渡金屬的硼化物，碳化物和氮化物(K.Upadhya，J.-M.Yang，and?W.P.Hoffman，“Materials?for?Ultrahigh?Temperature?Structural?Applications，”Am.Ceram.Soc.Bull.58[12](1997)51)。由于具有良好的高溫抗氧化性能，ZrB₂-20％SiC和HfB₂-20％SiC基材料已成為超高溫陶瓷研究領域的主體(W.C.Tripp，H.H.Davis?and?H.C.Graham，“Effect?of?an?SiC?Addition?on?theOxidation?ofZrB₂，”Am.Ceram.Soc.Bull.52(1973)612)。又Jeffrey?Bull等人研究發現ZrB₂-SiC-ZrC，HfB₂-SiC-ZrC三元系統具有較好的高溫抗燒蝕性(J.Bull，M.White，and?L.Kaufman?U.S.Patent?No.5,750,450(1999))，因此制備出致密的三元ZrB₂-SiC-ZrC陶瓷對進一步改善材料的高溫性能具有重要意義。

由于硼化物，碳化物具有極高的熔點和強的共價鍵，很難獲得致密的材料。通常采用熱壓燒結在1900-2200℃溫度范圍內，壓力高于20MPa甚至達到50MPa的條件下進行制備。而硼化物和碳化物的原料中極易引入雜質氧，從而阻礙燒結過程中物質的擴散，使晶粒過分長大，最終影響材料的力學性能。Monteverde和Bellosi等人對ZrB₂/HfB₂的燒結行為進行了研究，通過引入多種添加劑，如Ni、Si₃N₄、AlN、HfN、ZrN等(Bellosi?A，MonteverdeF，“Ultra-refractory?ceramics：the?use?of?sintering?aids?to?obtain?microstructurecontrol?and?properties?improvement”Key?Eng.Mater.264(2004)787)，采用液相燒結以及去除原料表面的氧化物來促進燒結。雖然燒結助劑的引入在一定程度上促進了材料的致密化，但是加入的助劑往往以玻璃相或氧化物的形式殘留在晶界處，對材料的高溫力學性能以及抗氧化性能產生了不利的影響。因此探索其它的材料制備方法以及提高原料的純度和燒結性能是非常必要的。

綜上所述，能否探索一種制備方法，通過調節燒結工藝參數在升溫過程中引發原料之間發生自蔓延反應，并利用此過程中瞬間生成的大量熱去除原料中的雜質氧，獲得高活性、高純度的粉體，通過反應燒結使材料的致密化溫度由傳統熱壓工藝所需要的1900-2200℃高溫降至1500-1700℃。而制備的材料相對密度≥97％，而其他性能與傳統熱壓工藝的性能相當，兼可降低能耗而又能基本滿足要求，從而引發出本發明的目的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種ZrB₂-SiC-ZrC復相陶瓷材料的制備方法，其特征在于，采用本發明提供的方法可以在1500-1700℃的溫度下，通過反應燒結獲得致密的ZrB₂-SiC-ZrC陶瓷材料，該材料具有良好的性能。

本發明的目的是通過下列方式實施的。即采用純度不低于98％的鋯粉，硅粉和碳化硼粉為原料，通過調節燒結工藝參數，利用升溫過程中所引發的粉體之間的自蔓延反應，通過熱壓反應燒結的方法，在1500-1700℃的溫度下制備出相對密度大于97％的體材料。