[發明專利]一種碳纖維增韌的氮化硅陶瓷復合材料及其制備工藝

在審

• 申請號: 201910965855.0
• 申請日: 2019-10-10
• 公開（公告）號: CN111253167A
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 吳澤;邢佑強;劉磊;鮑航
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/584;C04B35/645
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于功能陶瓷材料制造技術領域，涉及一種碳纖維增韌的氮化硅陶瓷復合材料及其制備工藝。該材料以氮化硅為基體材料，除基體材料外，復合材料的成分還包括碳纖維、鎳、硅化鎳、碳化硅。本發明的復合陶瓷材料采用熱壓燒結的方法制備，部分成分是在熱壓燒結過程中形成，其中，鎳為輔助粘結相，硅化鎳和碳化硅為顆粒彌散相。該陶瓷復合材料具有優異的抗崩裂強韌性，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種碳纖維增韌的氮化硅陶瓷復合材料及其制備工藝，屬于功能陶瓷材料制造技術領域。

背景技術

陶瓷具有較高的熔點、彈性模量、硬度以及優良的化學穩定性。可是，因為其自身的脆性，嚴重地阻礙了它在實際中的使用。因此，改良陶瓷材料的脆性、提高其韌性就成為了陶瓷材料擴大其應用范圍所必需克服的問題。

氧化鋁基陶瓷因其來源豐富，制造成本低廉，適合進行大規模的生產并且具有優越的力學性能、耐高溫性能和化學穩定性，是目前應用最為廣泛的陶瓷原料之一。氮化硅基陶瓷材料因其較高的強度、硬度，較低的密度，以及良好的抗氧化性、化學穩定性、抗熱振性等性能廣泛地應用于切削加工、工程機械、礦山冶金、軍工等多個領域，具有極高的應用價值價值。與氧化鋁基陶瓷材料相比，氮化硅基陶瓷材料具有更高的導熱系數、抗彎強度、斷裂韌度以及較低的彈性模量、熱膨脹系數等優點。

隨著工業技術的快速發展，陶瓷材料應用場合對其自身的性能要求也不斷提高，傳統陶瓷材料已無法滿足某些特殊的工況需求。因此，開發新型功能結構陶瓷，進一步提高陶瓷材料的強韌性，對擴大陶瓷材料新的應用領域具有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種碳纖維增韌的氮化硅陶瓷復合材料及其制備工藝，進一步提高陶瓷材料的強韌性，擴大陶瓷材料的應用場合。

本發明的一種碳纖維增韌的氮化硅陶瓷復合材料，以Si₃N₄為基體材料，除基體材料外，復合材料的成分還包括碳纖維(C_f)、Ni、Ni₃Si、SiC，其中，Ni為輔助粘結相，Ni₃Si和SiC為顆粒彌散相。

本發明的一種碳纖維增韌的氮化硅陶瓷復合材料的制備工藝如下：將Si₃N₄、Ni、Si的粉體以及C_f短須按照比例混合配料，其中，保證Si粉的質量分數不超過5wt.％；采用熱壓燒結的方法制備復合陶瓷材料，熱壓燒結過程控制燒結溫度1400～1600℃，加載壓力15～25MPa，控制燒結工藝，使Si與Ni和C_f充分反應消耗。

本發明提出了一種碳纖維增韌的氮化硅陶瓷復合材料及其制備工藝。相比普通氮化硅陶瓷材料，本發明具有纖維增韌和顆粒彌散增強的協同作用，材料具有優異的韌性和強度。在燒結制備工藝方面，通過工藝調控，保證Si粉與碳纖維表面的C元素發生化學反應，生成SiC，改善碳纖維與基體材料的結合狀況，提高復合材料綜合力學性能。本發明的陶瓷復合材料具有優異的抗崩裂強韌性，可廣泛應用于切削加工、裝備熱端構件等領域。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護范圍。

一種碳纖維增韌的氮化硅陶瓷復合材料，以Si₃N₄為基體材料，除基體材料外，復合材料的成分還包括碳纖維(C_f)、Ni、Ni₃Si、SiC，其中，Ni為輔助粘結相，Ni₃Si和SiC為顆粒彌散相。

本發明的一種碳纖維增韌的氮化硅陶瓷復合材料的制備工藝如下：將Si₃N₄、Ni、Si的粉體以及C_f短須按照質量分數70wt.％、6wt.％、4wt.％、20wt.％的比例混合配料，采用熱壓燒結的方式，熱壓燒結過程控制燒結溫度1500℃，加載壓力17MPa，加壓燒結35min，隨爐冷卻至常溫，制備出該復合材料。