CN101948314A - 一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法,它涉及一种超高温陶瓷复合材料的制备方法。它解决了现有制备ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的工艺复杂、设备昂贵且制备周期长,得到的产品晶粒粗大的问题。制备方法:一、将纳米SiC粉末与微米ZrB2粉末放入行星式球磨机混合均匀,然后把ZrB2-SiCnm预混合粉装入无缝钢管内;二、将圆锥形木块的底面粘到无缝钢管顶端端面上,装炸药;三、实施爆破;四、将爆炸压实后得到的无缝钢管在真空条件下热处理,冷却后去掉无缝钢管,得到直径为10~14mm、长度为96~160mm的ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料。此方法制备工艺操作简单、容易合成、设备成本低廉,得到的产品致密度高且纳米晶粒几乎不长大,适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法。
背景技术
由于ZrB2的熔点高,硬度大,以及具有良好的耐腐蚀与耐氧化性能,所以可用做高温陶瓷材料,适于制作火箭喷嘴、燃烧室内衬、磁流体发电的电极材料以及其他场合的高温结构件等。但ZrB2陶瓷是强共价键化合物,烧结致密比较困难,且具有陶瓷材料的本征脆性,需要添加第二相。通常添加SiC,对ZrB2基体起到加快烧结致密过程、提高致密度、改善陶瓷强韧性和抗氧化性能。纳米SiC颗粒增韧效果虽不如晶须和纤维,但由于其原料混合均匀化及烧结致密化都比SiC晶须和SiC纤维复合材料简便易行,同时也会带来高温强度和高温蠕变性能的改善。因此纳米SiC颗粒增韧陶瓷基复合材料同样受到重视,国内外已有纳米颗粒增韧ZrB2陶瓷复合材料的研究。纳米SiC相的引入能抑制ZrB2基体晶粒的异常长大,使基体结构均匀细化,最终得到高性能的ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料。
ZrB2-SiCnm复合材料是一种重要的超高温陶瓷(UHTCs),其高温强度和高温抗氧化性能优异,因而能够胜任于包括超高音速长时飞行、再入大气层、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境。现有的ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料通常采用传统的热压烧结工艺,存在烧结周期长、设备昂贵、长时间高温过程导致晶粒迅速长大的缺点。目前,为了克服ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料存在的缺陷,在制备方法上多采用压力作用;快速升温、降温;瞬时或短时间高温烧结;电活化作用、磁活化作用。虽然这些方法均具有促进快速烧结致密化和控制晶粒长大的作用,但是这些工艺本身也存在设备昂贵、工艺操作复杂及合成困难的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有制备ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备工艺操作复杂、合成困难、设备昂贵且烧结周期长,得到的产品晶粒粗大的问题,而提供一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法。
本发明ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法按以下步骤实施:一、用钢堵头(2)封闭无缝钢管(1)的下端口后,将ZrB2-SiCnm预混合粉装入无缝钢管(1)内,然后用另一个钢堵头(2)封闭无缝钢管(1)的上端口;二、将圆锥形木块(3)的底面粘到无缝钢管(1)的顶端端面上,然后放置于圆柱形纸板模具(4)内,而后将炸药以密度为0.8~1.2g/mm3均匀填满圆柱形纸板模具(4);三、将电雷管(5)镶嵌于炸药内,用爆破仪引爆电雷管(5),实施爆破;四、将爆炸压实后得到的无缝钢管(1)放入真空度为0.1~1Pa、温度为600~800℃的真空条件下,保温1~3h,随炉冷却至室温,然后去掉无缝钢管(1),即得ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料;其中步骤一中装入的纳米SiC粉末与微米ZrB2粉末的混合粉,初装密度为2.0~2.5g/mm3,纳米SiC粉末与微米ZrB2粉末的体积百分比分别为5~30%∶70~95%;步骤一中无缝钢管(1)的钢管外径为20~24mm,内径为15~18mm,长度为110~200mm;步骤一中钢堵头(2)的厚度为12~20mm,直径与无缝钢管(1)的内径相同;步骤一中钢堵头(2)与无缝钢管(1)的钢材质相同;步骤二中圆锥形木块(3)的高度为16~20mm,直径与无缝钢管(1)的外径相同;步骤二中圆柱形纸板模具(4)的外径为70~100mm,厚度为1~2mm,长度为150~250mm;步骤二中无缝钢管(1)的纵向中心轴线与圆柱形纸板模具(4)的纵向中心轴线位于同一轴线上;步骤三中雷管(5)竖放的位置与圆柱形纸板模具(4)的纵向中心轴线位于同一直线上。
本发明得到的ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料,经测量直径为10~14mm,长度为96~160mm。
本发明采用爆炸烧结法在爆破瞬间升温时间为40~80ns,升温速度为10101011K/s,升温时间极短、速度极快,使得表面温度超过熔点,颗粒表面形成极薄熔化层,短周期实现摩擦焊合而得到高度致密的烧结体;而在爆破过程中,又因固-液界面蓄积大量能量,能量通过颗粒表面向心部迅速传导,降温速度瞬间达到108~109K/s,使本发明得到的ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的致密度≥96%的理论密度,且纳米晶粒几乎不长大;设备成本低廉,制备工艺操作简单、容易合成。
附图说明
图1是ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料制备装置的主视剖面图;图2是具体实施方式二十一爆炸压实ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料扫描电镜图;图3是未经过爆炸压实的ZrB2-SiCnm预混合粉扫描电镜图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式,还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一:如图1所示,本实施方式ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法按以下步骤实施:一、用钢堵头(2)封闭无缝钢管(1)的下端口后,将ZrB2-SiCnm预混合粉装入无缝钢管(1)内,然后用另一个钢堵头(2)封闭无缝钢管(1)的上端口;二、将圆锥形木块(3)的底面粘到无缝钢管(1)的顶端端面上,然后放置于圆柱形纸板模具(4)内,而后将炸药以密度为0.8~1.2g/mm3均匀填满圆柱形纸板模具(4);三、将电雷管(5)镶嵌于炸药内,用爆破仪引爆电雷管(5),实施爆破;四、将爆炸压实后得到的无缝钢管(1)放入真空度为0.1~1Pa、温度为600~800℃的真空条件下,保温1~3h,随炉冷却至室温,然后去掉无缝钢管(1),即得ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料;其中步骤一中装入的纳米SiC粉末与微米ZrB2粉末的混合粉,初装密度为2.0~2.5g/mm3,纳米SiC粉末与微米ZrB2粉末的体积百分比分别为5~30%∶70~95%;步骤一中无缝钢管(1)的钢管外径为20~24mm,内径为15~18mm,长度为110~200mm;步骤一中钢堵头(2)的厚度为12~20mm,直径与无缝钢管(1)的内径相同;步骤一中钢堵头(2)与无缝钢管(1)的钢材质相同;步骤二中圆锥形木块(3)的高度为16~20mm,直径与无缝钢管(1)的外径相同;步骤二中圆柱形纸板模具(4)的外径为70~100mm,厚度为1~2mm,长度为150~250mm;步骤二中无缝钢管(1)的纵向中心轴线与圆柱形纸板模具(4)的纵向中心轴线位于同一轴线上;步骤三中雷管(5)竖放的位置与圆柱形纸板模具(4)的纵向中心轴线位于同一直线上。
本实施方式步骤一中纳米SiC粉末和微米ZrB2粉末在市场上均可以购得。
本实施方式步骤二中圆锥形木质块3的底面粘到无缝钢管的顶端端面上,圆锥形木块3的直径与无缝钢管的外径相同,圆锥形木质块3的作用是改变爆轰波形状,使能量传递更均匀。
本实施方式步骤三中采用炸药爆炸的目的是压缩无缝钢管,进而压实钢管内ZrB2-SiCnm预混合粉。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中装入的ZrB2-SiCnm预混合粉的密度为2.2~2.4g/mm3。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中装入的ZrB2-SiCnm预混合粉的密度为2.3g/mm3。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中无缝钢管1的钢管外径为21~23mm、内径为16~17mm、长度为140~180mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中无缝钢管1的钢管外径为22mm、内径为16mm、长度为160mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中钢堵头2的厚度为14~18mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中钢堵头2的厚度为16mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中圆锥形木块3的高度为17~19mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中圆锥形木块3的高度为18mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中圆柱形纸板模具4的外径为80~90mm,厚度为1.2~1.8mm,长度为180~220mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中圆柱形纸板模具4的外径为85mm,厚度为1.5mm,长度为200mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中将炸药以密度为0.9~1.1g/mm3均匀填满圆柱形纸板模具4内。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十三:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中将炸药以密度为1g/mm3均匀填满圆柱形纸板模具4内。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十四:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中炸药为硝酸脲炸药、硝酸铵炸药、TNT炸药及黑索金炸药的一种或几种。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式中炸药由两种或两种以上组成时各组分按任意比例混合。
本实施方式炸药种类及其主要特性如表1所示。
表1
具体实施方式十五:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中真空度为0.3~0.7Pa。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十六:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中真空度为0.5Pa。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十七:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中温度为650~750℃。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十八:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中温度为700℃。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十九:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中保温时间为1.5~2.5h。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式二十:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤四中保温时间为2h。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式二十一:结合图1,本实施方式ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法按以下步骤实施:一、用钢堵头2封闭无缝钢管1的下端口后,将ZrB2-SiCnm预混合粉装入无缝钢管1内,然后用另一个钢堵头2封闭无缝钢管1的上端口;二、将圆锥形木块3的底面粘到无缝钢管1的顶端端面上,然后放置于圆柱形纸板模具4内,而后将炸药以密度为0.9g/mm3均匀填满圆柱形纸板模具4内;三、将电雷管5镶嵌于炸药内,用爆破仪引爆电雷管5,实施爆破;四、将爆炸压实后得到的无缝钢管1放入真空度为0.5Pa、温度为700℃的真空条件下,保温2h,随炉冷却至室温,然后用车床车掉无缝钢管1,即得ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料。其中步骤一中装入的ZrB2-SiCnm预混合粉的密度为2.2g/mm3;步骤一中无缝钢管1的钢管外径为22mm、内径为16mm、长度为150mm;钢堵头2的厚度为14mm,直径与无缝钢管1的内径相同;步骤一中钢堵头2与无缝钢管1的钢材质相同,均为40号钢;步骤二中圆锥形木块3的高度为18mm,直径与无缝钢管1的外径相同;步骤二中圆柱形纸板模具4的外径为90mm,厚度为1.5mm,长度为200mm;步骤二中无缝钢管1的纵向中心轴线与圆柱形纸板模具4的纵向中心轴线位于同一轴线上;步骤三中雷管5竖放的位置与圆柱形纸板模具4的纵向中心轴线位于同一轴线上。
本实施方式得到的ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料,经测量直径为10mm,长度为120mm。
本实施方式中爆炸压实ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料扫描电镜图如图2所示,从图2中可以明确看出ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的显微组织内部结构较致密、均匀,晶粒细小;经测得性能优异;制备工艺简单、容易合成,原材料市场可购得,降低了成本。而未经过爆炸压实的ZrB2-SiCnm预混合粉扫描电镜图如图3所示,从图3中可以明确看出ZrB2-SiCnm预混合粉较粗大,且松散不均匀。
Claims (10)
1.一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法按以下步骤实施:一、用钢堵头(2)封闭无缝钢管(1)的下端口后,将ZrB2-SiCnm预混合粉装入无缝钢管(1)内,然后用另一个钢堵头(2)封闭无缝钢管(1)的上端口;二、将圆锥形木块(3)的底面粘到无缝钢管(1)的顶端端面上,然后放置于圆柱形纸板模具(4)内,而后将炸药以密度为0.8~1.2g/mm3均匀填满圆柱形纸板模具(4);三、将电雷管(5)镶嵌于炸药内,用爆破仪引爆电雷管(5),实施爆破;四、将爆炸压实后得到的无缝钢管(1)放入真空度为0.1~1Pa、温度为600~800℃的真空条件下,保温1~3h,随炉冷却至室温,然后去掉无缝钢管(1),即得ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料;其中步骤一中装入的纳米SiC粉末与微米ZrB2粉末的混合粉,初装密度为2.0~2.5g/mm3,纳米SiC粉末与微米ZrB2粉末的体积百分比分别为5~30%∶70~95%;步骤一中无缝钢管(1)的钢管外径为20~24mm,内径为15~18mm,长度为110~200mm;步骤一中钢堵头(2)的厚度为12~20mm,直径与无缝钢管(1)的内径相同;步骤一中钢堵头(2)与无缝钢管(1)的钢材质相同;步骤二中圆锥形木块(3)的高度为16~20mm,直径与无缝钢管(1)的外径相同;步骤二中圆柱形纸板模具(4)的外径为70~100mm,厚度为1~2mm,长度为150~250mm;步骤二中无缝钢管(1)的纵向中心轴线与圆柱形纸板模具(4)的纵向中心轴线位于同一轴线上;步骤三中雷管(5)竖放的位置与圆柱形纸板模具(4)的纵向中心轴线位于同一直线上。
2.根据权利要求1所述的一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于步骤一中装入的ZrB2-SiCnm预混合粉,初装密度为2.2~2.4g/mm3。
3.根据权利要求1或2所述的一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于步骤一中无缝钢管(1)的钢管外径为21~23mm、内径为16~17mm、长度为140~180mm。
4.根据权利要求3所述的一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于步骤二中圆锥形木块(3)的高度为17~19mm。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于步骤二中将炸药以密度为0.9~1.1g/mm3均匀填满圆柱形纸板模具(4)内。
6.根据权利要求5所述的一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于步骤二中炸药为硝酸脲炸药、硝酸铵炸药、TNT炸药及黑索金炸药中的一种或几种。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于步骤二中圆柱形纸板模具(4)的外径为80~90mm,厚度为1.2~1.8mm,长度为180~220mm。
8.根据权利要求7所述的一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于步骤四中真空度为0.3~0.7Pa。
9.根据权利要求8所述的一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于步骤四中温度为650~750℃。
10.根据权利要求9所述的一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于步骤四中保温时间为1.5~2.5h。
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