[發明專利]碳納米管增強增韌碳化硅陶瓷及其制備方法

有效

• 申請號: 201110438186.5
• 申請日: 2011-12-23
• 公開（公告）號: CN102557641A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 鄔國平
• 申請（專利權）人: 寧波伏爾肯機械密封件制造有限公司
• 主分類號: C04B35/565
• 分類號: C04B35/565;C04B35/622
• 代理公司: 寧波市鄞州甬致專利代理事務所(普通合伙) 33228
• 代理人: 代忠炯

技術領域

本發明涉及陶瓷材料技術領域中一種高性能工程陶瓷材料及其制備方法，具體講是一種碳納米管增強增韌碳化硅陶瓷及其制備方法。

背景技術

碳化硅陶瓷具有高強度、高硬度、耐磨、耐熱、幾乎耐所有化學物品腐蝕等特性，還具有優越的高溫力學和熱學性能，并且具有優越的抗輻射性能和抗氧化性能。

但碳化硅陶瓷還存在脆性、韌性不夠的缺點，并且制備后由于內部殘留氣孔、低熔點雜質、晶格過長等缺陷，往往會導致碳化硅陶瓷特性下降。

內在缺陷的隨機性造成強度數據的分散性，導致碳化硅陶瓷的可靠性降低，限制了碳化硅陶瓷在航空航天、核工業、大型石油化工等領域的應用。

為了進一步擴大其在極端環境的應用，各種增強增韌的碳化硅材料或者復合材料成為世界各國特別是歐美發達國家業內專家的關注焦點和研發重點。

碳納米管是一種碳的同素異構體，按照管壁層數，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，每層納米管由碳原子通過sp²雜化與周圍3個碳原子完全鍵合成的六邊形平面圍成的圓柱面，兩端由五邊形或者七邊形參與封閉而成。多壁碳納米管的層與層之間保持固定距離，約0.34nm。碳納米管的直徑一般為零點幾納米至幾十納米，長度一般為幾十納米至微米級，也有長度為幾個毫米超長納米管。

碳納米管中經過sp²雜化形成的C＝C共價鍵是自然界最強的價鍵之一，賦予碳納米管極強的強度、韌性及彈性模量，使碳納米管具有優異的力學性能。理論估計其彈性模量高達5TPa，實驗測得平均為1.8TPa，比一般碳纖維高一個數量級，與金剛石的彈性模量幾乎相同，為已知材料的最高彈性模量；彎曲強度14.2GPa；具有超高韌性，理論估算最大伸長率可達20％。

碳納米管尺度小，長徑比大，力學性能優良，是理想的納米纖維增強增韌材料。但是要發揮碳納米管的增強作用，首先要使碳納米管均勻的分散在基體中，并且達到一定的含量，在燒結后碳納米管擠在碳化硅晶粒界面之間或者與晶粒界面結合。

熱壓燒結由于加熱加壓同時進行，粉料處于熱塑性狀態，有助于顆粒的接觸擴散、流動傳質過程的進行。因而，成型壓力僅為冷壓的1/10；還能降低燒結溫度，縮短燒結時間，從而抑制晶粒長大，得到晶粒細小、致密度高和機械力學性能良好的產品。

無壓燒結也是碳化硅陶瓷制備的一種重要方法，設計一種高燒結動力的體系，也可獲得高性能的碳納米管增強增韌碳化硅陶瓷。

但是如何利用熱壓或無壓燒結工藝和碳納米管的分散技術，使碳納米管優良力學性能在碳化硅中發揮作用，制備成增強增韌的高性能碳化硅陶瓷，以滿足極端工況條件下工作的需求，目前還沒有相關報道。

發明內容

本發明針對現有技術的上述不足，提供一種高性能、高可靠性的碳納米管增強增韌碳化硅陶瓷。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種碳納米管增強增韌碳化硅陶瓷，它主要由以下重量配比的原材料制成：碳化硅微粉∶碳化硼微粉∶碳粉∶碳納米管∶粘結劑∶分散劑為100∶0.5～3∶1.5～8∶0.5～3∶3～6∶0.2～3.0。

所述的碳納米管增強增韌碳化硅陶瓷，它還包括如下原材料：氧化鋁、氧化釔，所述的氧化鋁、氧化釔與碳化硅微粉的重量配比為4～7∶3～6∶100。

所述碳化硅(SIC)微粉的D₅₀直徑0.40～3.00微米，純度＞99.5wt％。

所述碳化硼微粉的D₅₀直徑0.50～3.00微米，純度＞98wt％。

所述碳粉的D₅₀直徑0.10～3.00微米，純度＞99wt％。

所述碳納米管為OD(外徑)1～2nm，length(長度)1～30nm，CNTs?purity＞90wt％，Ash(灰分)＜1.5wt％的碳納米管。

所述粘結劑可以是PVA(聚乙烯醇)、糊精、甲基纖維素、葡萄糖中的一種。

所述分散劑可以是銨水、四甲基氫氧化銨、十六烷基磺酸鈉中的一種。

所述的氧化鋁，其D₅₀中位粒徑為0.5～3微米，純度大于99.5wt％。

所述的氧化釔，其D₅₀中位粒徑0.5～3微米，純度大于99.9％。

本發明還提供一種上述碳納米管增強增韌熱壓燒結碳化硅的制備方法，當原料中不采用氧化鋁、氧化釔，其具體工藝步驟如下：

(1)按碳化硅微粉∶碳化硼微粉∶碳粉∶粘結劑為100∶0.5～3∶1.5～8∶3～6的重量配比混合，得到混合粉料；