[發明專利]濕紡共擠出制備外骨骼結構纖維獨石碳化鋯陶瓷

在審

• 申請號: 202010558773.7
• 申請日: 2020-06-18
• 公開（公告）號: CN111848167A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 李雙;孟凡濤;董抒華
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: C04B35/56
• 分類號: C04B35/56;C04B35/638;C04B35/645;C04B35/80;C04B35/634
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本發明提供一種濕紡共擠出制備外骨骼結構纖維獨石碳化鋯陶瓷，其特征在于采用以下步驟：1）先將固化劑和增塑劑加入有機溶劑中攪拌溶解，再分別加入纖維獨石前驅體胞體和胞體界面層的陶瓷粉料、攪拌均勻，形成兩種不同組分的噴絲料漿，倒入不同的注射器中，在機械壓力下，通過共擠出噴絲頭噴入凝膠槽中，即得外骨骼結構的纖維獨石前驅體；2）溫壓成型；3）真空脫脂；4）熱壓燒結，即得外骨骼結構纖維獨石碳化鋯陶瓷，其斷裂韌性可達8MPa?m^1/2以上。本發明所得的外骨骼結構纖維獨石碳化鋯陶瓷，保留了仿生材料強弱層交替排列的增韌方式，同時，改變了弱質材料的三維聯通結構，材料達到斷裂韌性和抗氧化燒蝕性協同提高。

技術領域

本發明提供一種濕紡共擠出制備外骨骼結構纖維獨石碳化鋯陶瓷，屬于超高溫陶瓷的制備技術領域。

背景技術

超高溫陶瓷材料具有抗氧化、熔點高、高溫力學性能高和耐氣動磨耗等性能。在碳化物陶瓷中，ZrC被認為是極具應用前景的超高溫材料。但ZrC陶瓷斷裂韌性較低，韌值僅為4～5 MPa?m^1/2，限制了其在苛刻作業環境下的應用。因此，為了保證使用過程中的可靠性和安全性，必須提高ZrC陶瓷的斷裂韌性。受自然界中貝殼、竹子的微觀組織結構的啟發，在脆性陶瓷材料中加入耐高溫軟質材料，設計和制備仿生層狀和纖維獨石狀復合物以提高陶瓷的韌性。

層狀和纖維獨石材料具有較好的韌性，斷裂時，發生裂紋的偏折、裂紋分叉和產生微裂紋，大大增加了裂紋擴展的路徑和斷裂功，斷裂韌性提高明顯；且斷裂方式為非脆性斷裂，即表現為對裂紋損傷具有一定容忍能力的逐次斷裂，材料的安全性和可靠性得到提高。

對于仿生纖維獨石復合材料的研究。清華大學通過泥料擠出法制備出Si₃N₄纖維獨石前驅體，纖維獨石前驅體的直徑為1mm，然后，浸涂BN懸浮液，制備出Si₃N₄/BN纖維獨石陶瓷，其彎曲強度為700MPa，斷裂韌性為23.9MPa·m^1/2。美國密蘇里大學以乙烯-丙烯酸乙酯為結合劑，高溫礦物油為增塑劑，120℃共擠出泥料制備出有界面結構的纖維獨石前驅體，然后定向排布，經800℃裂解后，1900℃、32MPa下熱壓燒結制備出纖維獨石ZrB₂復合材料，胞體組成為ZrB₂-30vol.%SiC，胞體界面層組成為石墨-15vol.%ZrB₂，纖維獨石ZrB₂復合材料彎強度為375MPa，臨界熱震溫差△T_c為1400℃。

傳統的纖維獨石陶瓷制備工藝存在以下問題：

一是：傳統的纖維獨石前驅體成型工藝為泥料擠出成型，即干紡法成型，生坯經過陳腐、真空練泥使其具有一定可塑性，然后通過擠出機噴絲頭擠出成型，噴絲頭的大小決定了纖維獨石前驅體的直徑大小，噴絲頭直徑越小所受到的阻力越大，也就是說，小的噴絲頭需要更大的擠出壓力，擠出成型制備小于1mm的纖維獨石前驅體非常困難，因此，研究人員在原有擠出成型工藝基礎上進行了改進，通過將泥料預熱到120℃，提高泥料的流動性，使其擠出成型更細的纖維獨石前驅體，但沒有改變泥料流動性差這一本質屬性，噴絲頭直徑越小，擠出壓力越大，擠出成型越困難，纖維獨石前驅體擠出后，由于溶劑的揮發迅速固化，纖維獨石前驅體韌性差，呈細棒狀，連續性差，因此，制備高韌性纖維獨石碳化鋯陶瓷，必須開發新型的纖維獨石前驅體的成型工藝。

二是：傳統的纖維獨石前驅體胞體界面成型為浸漬涂覆，浸漬涂覆的胞體界面層厚度不均，使得纖維獨石ZrB₂基超高溫陶瓷的微觀結構不能精確控制；并且反復浸漬也使纖維獨石前驅體容易斷裂，浸漬涂覆后的纖維獨石前驅體胞體，變硬變脆，材料性能大大降低。