CN101265108A

CN101265108A - 一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN101265108A
Application number: CNA2008100643138A
Authority: CN
Inventors: 韩杰才; 张幸红; 孟松鹤; 翁凌; 韩文波
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2008-09-17

Abstract

一种硼化物－碳化硅－碳化硼三元陶瓷基复合材料及其制备方法，它涉及一种三元陶瓷基复合材料及其制备方法。本发明解决了现有超高温陶瓷材料存在韧性低的缺陷。本发明的硼化物－碳化硅－碳化硼三元陶瓷基复合材料是按照体积百分比由50％～80％的硼化物、10％～30％的碳化硅和5％～30％的碳化硼制成的。本发明的硼化物－碳化硅－碳化硼三元陶瓷基复合材料的制备方法按如下步骤进行：1.湿混，过筛；2.热压烧结；即得到硼化物－碳化硅－碳化硼三元陶瓷基复合材料。本发明的硼化物－碳化硅－碳化硼三元陶瓷基复合材料的抗弯强度最高能达到890MPa，断裂韧性值最高可达到7.1MPa/m²。

Description

一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种三元陶瓷基复合材料及其制备方法。

背景技术

硼化物陶瓷材料在高温环境及反应气氛中能够保持良好的物理和化学稳定性，其熔点均超过3000℃。硼化物陶瓷材料凭借其优异的物理性能(高的熔点、热导率、弹性模量以及优异的化学稳定性)，已成为现代飞行器关键部位最有前途的候选材料，在航空航天领域有着广泛的应用前景。

硼化物陶瓷材料虽然具有诸多优点，但是其较低的强度和断裂韧性一直没有得到很好的解决，是限制其优异性能发挥的关键因素之一。常规方法是向硼化物基体中添加第二相组元，以起到增韧补强的效果。目前，研究最多的是在硼化物基体中加入弥散的碳化硅颗粒。碳化硅颗粒的引入，能提高材料的致密度并抑制基体颗粒长大从而有效提高材料的抗弯强度。但是，由于不具备明显的长径比特征，颗粒的引入对材料韧性的提高并不明显。还有的研究者将具有明显长径比特征的碳化硅晶须或碳纤维引入到硼化物陶瓷中，希望获得较高的断裂韧性。但是在实际的材料制备过程中所使用的高温高压环境往往会破坏晶须和碳纤维内部结构的完整性，导致碳化硅晶须和碳纤维发生断裂或降解，从而失去增韧效果。同时，在增韧的同时必须牺牲一定的强度，所以一直没有解决增加现有超高温陶瓷材料韧性的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有超高温陶瓷材料存在韧性低的缺陷，而提供一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料及其制备方法。

本发明的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料是按照体积百分比由50％～80％的硼化物、10％～30％的碳化硅和5％～30％的碳化硼制成的。

本发明的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料按照如下方法进行制备：一、按照体积百分比取50％～80％的硼化物、10％～30％的碳化硅和5％～30％的碳化硼进行湿混，然后干燥，再过60～325目筛；二、过筛后的粉末放入石墨模具中，在真空或惰性气体保护下进行热压烧结，烧结压力为10～35MPa，以5～25℃/min的升温速度升温至1500～2200℃，并保温20～90分钟；即得到硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料。

本发明的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料及其制备方法中的硼化物为硼化锆或硼化铪。

本发明中的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料的原料采用市售的硼化锆、硼化铪、碳化硅和碳化硼粉末，其中硼化锆和硼化铪的粒径为0.5～10μm，碳化硅和碳化硼的粒径为0.5～5μm。

本发明制备的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料，其强韧化机理在于：碳化硅颗粒和碳化硼颗粒的加入能有效抑制硼化物陶瓷晶粒的生长，有利于细晶强化机制的发生；同时，由于热膨胀系数的差异，碳化硼的引入能在基体内产生大量微裂纹，实现微裂纹增韧机制。

本发明将碳化硅颗粒和超细碳化硼颗粒共同引入到硼化物超高温陶瓷材料体系中，在提高陶瓷材料强度的同时，也显著提高材料的断裂韧性，从而有效提高材料的使用可靠性。在室温下，本发明的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料的抗弯强度值均高于683MPa(采用三点弯曲断裂法，试样尺寸为4×3×36mm³，压头位移速率0.5mm/min)，最高可达到890MPa；它的断裂韧性值在5.4MPa/m²以上，最高可达到7.1MPa/m²(采用单边切口梁三点弯曲断裂法，试样尺寸为2×4×22mm³，压头位移速率0.05mm/min)。本发明制备的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料，其断裂韧性明显高于国内外报道的同体系材料的断裂韧性(4.2MPa/m²)，抗弯强度与现有材料的500～700MPa相比没有降低，说明本发明在提高材料韧性的同时没有降低材料的抗弯强度。本发明制备的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料致密度为97.5％～99.7％。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料是按照体积百分比由50％～80％的硼化物、10％～30％的碳化硅和5％～30％的碳化硼制成的。

具体实施方式二：本实施方式的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料是按照体积百分比由60％～70％的硼化物、15％～25％的碳化硅和10％～25％的碳化硼制成的。

具体实施方式三：本实施方式的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料是按照体积百分比由65％的硼化物、20％的碳化硅和15％的碳化硼制成的。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三的不同点为：硼化物为硼化锆或硼化铪。其它与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料按照如下方法进行制备：一、按照体积百分比取50％～80％的硼化物、10％～30％的碳化硅和5％～30％的碳化硼进行湿混，然后干燥，再过60～325目筛；二、过筛后的粉末放入石墨模具中，在真空或惰性气体保护下进行热压烧结，烧结压力为10～35MPa，以5～25℃/min的升温速度升温至1500～2200℃，并保温20～90分钟；即得到硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤一中按照体积百分比取60％～70％的硼化物、15％～25％的碳化硅和10％～25％的碳化硼进行湿混。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：按照体积百分比取65％的硼化物、20％的碳化硅和15％的碳化硼进行湿混。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五、六或七的不同点为：步骤一中硼化物为硼化锆或硼化铪。其它步骤及参数与具体实施方式五、六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤一中的湿混采用无水乙醇作为介质，无水乙醇加入的量没过原料3～6mm。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤一中的干燥采用旋转蒸发器进行干燥。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

本实施方式中旋转蒸发器上的压力表指数无变化时干燥完毕。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤一中过100～280目筛。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤一中过180～200目筛。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤一中过190目筛。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤二中惰性气体为氩气或氮气。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤二中烧结压力为15～30MPa。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤二中烧结压力为20～25MPa。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤二中烧结压力为22.5MPa。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤二中以10～20℃/min的升温速度升温至1700～2000℃。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤二中以15℃/min的升温速度升温至1850℃。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤二中升温后保温40～70分钟。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤二中升温后保温55分钟。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式五的不同点为：步骤一中硼化物的粒径为0.5～10μm，碳化硅和碳化硼的粒径为0.5～5μm。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。

具体实施方式二十三：本实施方式的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料按照如下方法进行制备：一、按照体积百分比取75％的硼化铪、15％的碳化硅和10％的碳化硼进行湿混，干燥，再过150目筛；二、过筛后的粉末放入石墨模具中，在真空或惰性气体保护下进行热压烧结，烧结压力为35MPa，以15℃/min的升温速度升温至1750℃，并保温30分钟；即得到硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料。

本实施方式步骤一的湿混采用无水乙醇作为介质，加入无水乙醇至没过原料5mm；干燥采用旋转蒸发器进行干燥以除去乙醇，蒸发器上的压力表指数无变化时表示干燥完成。

本实施方式制备的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料在室温的条件下采用三点弯曲断裂法进行抗弯强度测试，试样尺寸为4×3×36mm³，压头位移速率0.5mm/min，测得抗弯强度为890MPa；采用单边切口梁三点弯曲断裂法进行断裂韧性值测试，试样尺寸为2×4×22mm³，压头位移速率0.05mm/min，断裂韧性值6.7MPa/m²，材料致密度为98.4％。

Claims

1、一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料，其特征在于硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料是按照体积百分比由50％～80％的硼化物、10％～30％的碳化硅和5％～30％的碳化硼制成的。

2、根据权利要求1所述的一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料，其特征在于硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料是按照体积百分比由60％～70％的硼化物、15％～25％的碳化硅和10％～25％的碳化硼制成的。

3、根据权利要求1所述的一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料，其特征在于硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料是按照体积百分比由65％的硼化物、20％的碳化硅和15％的碳化硼制成的。

4、根据权利要求1、2或3所述的一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料，其特征在于硼化物为硼化锆或硼化铪。

5、一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料按照如下方法进行制备：一、按照体积百分比取50％～80％的硼化物、10％～30％的碳化硅和5％～30％的碳化硼进行湿混，然后干燥，再过60～325目筛；二、过筛后的粉末放入石墨模具中，在真空或惰性气体保护下进行热压烧结，烧结压力为10～35MPa，以5～25℃/min的升温速度升温至1500～2200℃，并保温20～90分钟；即得到硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料。

6、根据权利要求5所述的一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中过100～280目筛。

7、根据权利要求5所述的一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中惰性气体为氩气或氮气。

8、根据权利要求5所述的一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中烧结压力为20～25MPa。

9、根据权利要求5所述的一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中以10～20℃/min的升温速度升温至1700～2000℃。

10、根据权利要求5所述的一种硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中升温后保温40～70分钟。