[發(fā)明專利]SiC納米顆粒及SiC晶須混雜增韌ZrC基超高溫陶瓷復(fù)合材料及其制備方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110261934.7
• 申請(qǐng)日: 2011-09-06
• 公開（公告）號(hào): CN102424596A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李金平;張宇民;劉時(shí)強(qiáng);孟松鶴;韓杰才
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B35/81
• 分類號(hào): C04B35/81;C04B35/80;C04B35/56;C04B35/622
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超高溫陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

ZrC基超高溫陶瓷，與硼化物陶瓷相近，是在2000℃以上可用材料的典型代表，具有較高的熔點(diǎn)、較好的化學(xué)穩(wěn)定性、較高的彈性模量、優(yōu)良的導(dǎo)電性、較高的硬度、良好的導(dǎo)熱性等優(yōu)異的性能，特別適合于作固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管喉襯、燃?xì)舛妗⒍祟^帽等部件，也可以作為超高速飛行器的鼻錐、端頭、翼前緣等耐高溫結(jié)構(gòu)元件等。但單相ZrC陶瓷具有致密度和燒結(jié)性能低、強(qiáng)度和韌性低、抗氧化性能差等缺點(diǎn)。為了彌補(bǔ)單一相陶瓷材料的這些缺陷，公開號(hào)為CN101948326A的中國專利采用SiC晶須添加到ZrC陶瓷中來提高復(fù)合材料的韌性，該材料的致密度僅為94％～95％，而且SiC晶須價(jià)格高，使材料成本提高。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有ZrC基超高溫陶瓷致密度低、成本高的技術(shù)問題，而提供SiC納米顆粒及SiC晶須混雜增韌ZrC基超高溫陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。

本發(fā)明的SiC納米顆粒及SiC晶須混雜增韌ZrC基超高溫陶瓷復(fù)合材料由SiC納米顆粒、SiC晶須和ZrC基體制成；SiC納米顆粒和SiC晶須作為增強(qiáng)相存在于ZrC基體中，SiC納米顆粒的體積百分含量為5％～15％，SiC晶須的體積百分含量為5％～15％，ZrC基體的體積百分含量為70％～90％。

本發(fā)明的SiC納米顆粒及SiC晶須混雜增韌ZrC基超高溫陶瓷復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行：一、按體積百分比稱取5％～15％的SiC納米顆粒、5％～15％的SiC晶須和70％～90％的ZrC粉末；二、按SiC晶須與無水乙醇的質(zhì)量體積比為1g∶5mL～35mL的比例將步驟一稱取的SiC晶須加入到無水乙醇中，然后用超聲波處理3min～10min，得到分散均勻的SiC晶須；三、將經(jīng)步驟二得到的分散均勻的SiC晶須與步驟一稱取的SiC納米顆粒和ZrC粉末混合后，加入到球磨機(jī)中，以無水乙醇作為分散劑，ZrO₂球作為球磨介質(zhì)，球料質(zhì)量比為5～8∶1，在轉(zhuǎn)速為100～300轉(zhuǎn)/分的條件下球磨5h～20h，得到漿料；四、采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將步驟三得到的漿料烘干，得到混合粉；五、將步驟四得到的混合粉裝入石墨模具中，再將石墨模具放入真空熱壓爐中，通入氬氣保護(hù)，在溫度為1800℃～2100℃、壓力為10MPa～30MPa的條件下保溫30min～60min，然后撤壓、隨爐冷卻，得到SiC納米顆粒及SiC晶須混雜增韌ZrC基超高溫陶瓷復(fù)合材料；其中步驟一中SiC晶須的純度≥99.5％，直徑為0.1μm～1.0μm，長度為50μm～200μm，SiC納米顆粒的純度≥99.5％，粒徑為60nm；步驟一中ZrC粉末的純度≥99％，粒徑為3μm～5μm。

本發(fā)明通過在ZrC基體中添加SiC晶須、SiC納米顆粒制備ZrC基超高溫陶瓷復(fù)合材料，由于SiC化學(xué)穩(wěn)定性好，與ZrC陶瓷基體的熱膨脹系數(shù)匹配，在熱壓燒結(jié)后，SiC納米顆粒相比晶須更能均勻地分布在基體中，在燒結(jié)時(shí)，當(dāng)基體晶粒長大遇到SiC納米顆粒后，界面能就被降低，降低的大小正比于SiC納米顆粒的橫截面積，為把界面從SiC納米顆粒拉開，就必須重新增大界面能，較小的納米SiC顆粒，其比表面積大，基體晶粒長大所需的界面能就多，因而納米SiC阻礙晶粒長大的能力更強(qiáng)，當(dāng)晶界上出現(xiàn)許多SiC納米顆粒，且晶粒達(dá)到某一極限尺寸時(shí)，界面的正常曲率就不足以使晶粒繼續(xù)長大，晶粒就停止生長，得到最終粒徑較小，促進(jìn)晶粒細(xì)化，并減少孔隙缺陷，從而使燒結(jié)體達(dá)到較高的致密度。SiC晶須能通過晶須橋接和拔出，裂紋偏轉(zhuǎn)增強(qiáng)ZrC強(qiáng)度及韌性，SiC晶須與SiC納米顆粒混雜增韌陶瓷復(fù)合材料，依靠晶須的拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)制對(duì)強(qiáng)度和韌性的提高產(chǎn)生突出貢獻(xiàn)，SiC顆粒配合晶須阻止晶粒長大，并起裂紋轉(zhuǎn)向與分叉作用。SiC晶須與SiC納米顆粒協(xié)同，達(dá)到提高復(fù)合材料強(qiáng)度及韌性的目的，同時(shí)由于顆粒部分取代晶須，使晶須含量減少，因而給均勻混料、燒結(jié)致密化帶來好處，另外SiC顆粒價(jià)格低，SiC晶須價(jià)格較高，使復(fù)合材料的成本降低。本發(fā)明的SiC納米顆粒及SiC晶須混雜增韌ZrC基超高溫陶瓷復(fù)合材料的致密度為96％～100％，抗彎強(qiáng)度為350MPa～600MPa，斷裂韌性為3.5MPam^1/2～6MPam^1/2。抗氧化性和耐燒蝕性能好，增強(qiáng)相顆粒細(xì)小、分布均勻。

該材料可作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管、燃?xì)舛妗⒍祟^帽等部件，也可以作為超高速飛行器的鼻錐、端頭、翼前緣等耐高溫結(jié)構(gòu)件等。

附圖說明