[發明專利]硅硼碳氮鋯陶瓷復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310625254.8
• 申請日: 2013-11-28
• 公開（公告）號: CN103588483A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 楊治華;賈德昌;胡成川;段小明;王勝金;梁斌
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C04B35/515
• 分類號: C04B35/515;C04B35/622
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及一種陶瓷復合材料及其制備方法。

背景技術

航空、航天、冶金、機械、能源、化工等技術的快速發展對耐高溫材料提出了更高的要求。例如，速度大于5馬赫的超音速飛行器、推重比大于15的航空渦輪發動機要求材料能夠在溫度高于2200℃的高溫燒蝕環境下安全服役。經過研究人員多年的努力，以碳化硅、氮化硅為代表的耐高溫陶瓷材料體系已經在航空航天領域中得到了很好的應用。但是，無論碳化硅還是氮化硅，當溫度高于1500℃時，其強度、抗氧化性能、抗熱震性能以及耐高溫燒蝕性能都會快速下降。因此，研究人員需要開發一種能夠在溫度高于1500℃的高溫環境下安全服役的新型耐高溫材料。

硅硼碳氮陶瓷復合材料本身極強的共價鍵結構賦予其較高的熱穩定性、抗高溫氧化、抗熱震性、抗燒蝕、抗高溫蠕變等性能，加之其具有密度低、彈性模量低、熱膨脹系數小等優點，可作為一種新型高溫航天防熱結構材料。

經過將近17年的發展，截至目前，硅硼碳氮陶瓷塊體材料的主要制備方法有兩種，即有機先驅體轉化法和機械合金化-壓力燒結法。在2003年以前，研究人員利用首先合成有機先驅體，然后在緩慢裂解生成無機粉末，最后再制備陶瓷材料，所涉及專利分別是US2005/0026769-A1、WO9606813-A、DE4447534-A1、DE19741458-A1、DE19741459-A1、DE19741460-A1。利用此路線合成的硅硼碳氮陶瓷材料具有良好的高溫穩定性和抗氧化性能，但是存在有機原料成本高、污染環境、工藝復雜、合成條件要求苛刻（需要無水無氧）、產率低、材料致密度低不能有效滿足實際使用要求等缺點，這極大地限制了硅硼碳氮陶瓷材料在工程方面的大規模應用。后來，Zhihua?Yang等研究人員發明了機械合金化-壓力燒結法制備硅硼碳氮陶瓷材料（Zhi-Hua?Yang,Yu?Zhou,De-ChangJia,etal.Materials?Science?and?Engineering?A,489(2008)187～192.）。先將原料混合球磨后得到非晶態的粉末，然后采用熱壓燒結工藝燒結獲得材料。該合成路線成本低、制備工藝簡單、材料致密度高，綜合力學性能良好，但是嚴格地說，抗熱震損傷性能和抗高溫燒蝕損傷性能仍不夠理想，不能夠在高于1500℃高溫燒蝕環境下安全服役，這也在一定程度上限制了硅硼碳氮陶瓷材料在高溫領域的應用。

發明內容

本發明是要解決現有的硅硼碳氮陶瓷復合材料抗熱震損傷性能和抗高溫燒蝕損傷性能仍不夠理想，不能夠在高于1500℃高溫燒蝕環境下安全服役的問題，而提供了硅硼碳氮鋯陶瓷復合材料及其制備方法。

本發明硅硼碳氮鋯陶瓷復合材料是以硅粉、石墨粉、六方氮化硼粉、鋯粉和硼粉為原料，經球磨混合以及熱壓燒結而成；所述的原料中硅粉與石墨粉的摩爾比為2:3，石墨粉與六方氮化硼粉的摩爾比為3:1，鋯粉與硼粉的摩爾比為1:2，石墨粉與鋯粉摩爾比為(1～10):1，石墨粉與硼粉的摩爾比為(0.5～8):1；所述的硅粉的純度為99%～99.9%，粒徑為1μm～20μm；所述的石墨粉的純度為99%～99.9%，粒徑為1μm～20μm；所述的六方氮化硼粉的純度為99%～99.9%，粒徑為1μm～20μm；所述的鋯粉的純度為99%～99.9%，粒徑為1μm～20μm；所述的硼粉的純度為99%～99.9%，粒徑為1μm～100μm。

上述硅硼碳氮鋯陶瓷復合材料的制備方法，按以下步驟進行：

一、稱取各組分：稱取硅粉、石墨粉、六方氮化硼粉、鋯粉和硼粉作為原料，所述的原料中硅粉與石墨粉的摩爾比為2:3，石墨粉與六方氮化硼粉的摩爾比為3:1，鋯粉與硼粉的摩爾比為1:2，石墨粉與鋯粉摩爾比為(1～10):1，石墨粉與硼粉的摩爾比為(0.5～8):1；其中所述的硅粉的純度為99%～99.9%，粒徑為1μm～20μm；所述的石墨粉的純度為99%～99.9%，粒徑為1μm～20μm；所述的六方氮化硼粉的純度為99%～99.9%，粒徑為1μm～20μm；所述的鋯粉的純度為99%～99.9%，粒徑為1μm～20μm；所述的硼粉的純度為99%～99.9%，粒徑為1μm～100μm；

二、球磨：將步驟一稱取的原料放入到球磨罐中，球料比為(10～100):1，在氬氣保護下進行球磨1h～50h，得到非晶態復合粉末；所述的球料比為磨球與步驟一稱取的原料的質量比，所述的磨球直徑為3mm～12mm；

三、熱壓燒結：將步驟二得到的非晶態復合粉末進行熱壓燒結，即得到硅硼碳氮鋯陶瓷復合材料。