CN102126859B - 一种制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法，采用化学气相沉积制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷，与传统纳米线增韧陶瓷相比，竹节状纳米线借助其节点与其周围陶瓷基体之间特殊的机械式联锁增韧机理，可以有效地解决了陶瓷在实际应用中的脆性问题，提高陶瓷的韧性。与背景技术相比，可将陶瓷材料的韧性提高程度从77～114％提高到126～159％。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法，采用化学气相沉积制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷，可以有效地解决了陶瓷在实际应用中的脆性问题，提高陶瓷的韧性。
背景技术
脆性是陶瓷材料实际应用中最难突破的瓶颈问题，特别是限制其作为一种新型超高温材料的应用，国内外研究者提出了许多解决方法，而在陶瓷基体中引入传统SiC纳米线(表面光滑)作为增强体以提高其韧性是一种有效的手段，其中，SiC和HfC等陶瓷具有较高的熔点、相对低的线膨胀系数、较高的硬度，被认为是作为新型超高温材料的理想材料。
文献“Single-Crystal SiC Nanowires with a Thin Carbon Coating for Stronger andTougher Ceramic Composites，Wen Yang，Hiroshi Araki，Chengchun Tang，SomsriThaveethavorn，Akira Kohyama，Hiroshi Suzuki and Tetsuji Noda.Advanced Materials，2005(17)：1519～1523”介绍了一种采用化学气相沉积和化学气相渗透相结合的方法制备出表面含有热解碳涂层的传统SiC纳米线增韧SiC陶瓷，该方法可通过调整热解碳涂层的厚度和纳米线的含量实现对SiC陶瓷的最佳增韧效果，但由于传统纳米线表面光滑，容易从陶瓷基体中拔出，尽管在其表面制备一定厚度的碳涂层可以在某种程度上强化纳米线与陶瓷基体之间的界面结合，但是其界面结合的强化程度毕竟限，因此大大限制了陶瓷材料的韧性提高程度，如陶瓷材料的韧性仅提高了72～114％。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法，采用化学气相沉积制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷，与传统纳米线增韧陶瓷相比，竹节状纳米线借助其节点与其周围陶瓷基体之间特殊的机械式联锁增韧机理，可以有效地解决了陶瓷在实际应用中的脆性问题，提高陶瓷的韧性。
技术方案
一种制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将质量百分比为10～18％的Si粉，20～30％的C粉和52～70％的SiO2粉，置于松脂球磨罐中，球磨混合处理2-4小时得到粉料；
步骤2：将粉料放入石墨坩埚中，粉料厚度为坩埚深度的1/10，然后将石墨用一束3k炭纤维捆绑后悬挂在坩埚内的粉料表面上方；
步骤3：将石墨坩埚放入石墨为发热体的热压真空反应炉中，然后重复三次下述过程：抽真空30分钟后使真空度达到-0.09MPa，保真空30分钟，然后通入Ar气至常压；
步骤4：以5～10℃/min升温速度将炉温从室温升至1550～1650℃，保温1～3小时；随后关闭电源自然冷却至室温得到表面含竹节状SiC纳米线多孔层的石墨，整个过程中通Ar保护；
步骤5：然后用一束3k炭纤维将表面含竹节状SiC纳米线多孔层的石墨捆绑后悬挂于立式双温区沉积炉内的高温区，HfCl4粉放置在立式双温区沉积炉内的底温区，然后重复三次下述过程：将沉积炉抽真空15分钟后使真空度达到-0.09MPa，静置10分钟后通入Ar气至常压；
步骤6：通电升温，以8～12℃/min的升温速率度对沉积炉的高温区温度升至1000～1200℃，以3～5℃/min的升温速率度对沉积炉的底温区温度升至400～500℃时；然后以300～500ml/min的流量向炉膛内通H2气，以50～150ml/min的流量向炉膛内通CH4气，并在该温度下保温2-4h，随后关掉电源自然降温，整个过程通Ar气保护。
所述石墨打磨抛光后清洗，放入烘箱中烘干。
所述Si粉的纯度为99.5％、粒度为300目。
所述C粉的纯度为99％、粒度为320目。
所述SiO2粉的纯度为分析纯、粒度为300目。
所述HfCl4粉的纯度为分析纯、粒度为500目。
所述H2的纯度大于99.99％。
所述CH4的纯度大于99.99％。
有益效果
本发明提出的一种制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法，由于采用化学气相沉积制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷，借助竹节状纳米线的节点与其周围陶瓷基体之间特殊的机械式联锁增韧机理，可以有效地解决陶瓷在实际应用中的脆性问题，提高陶瓷的韧性，与背景技术相比，可将陶瓷材料的韧性提高程度从77～114％提高到126～159％。
附图说明
图1：本发明实施例2所制备的竹节状SiC纳米线多孔层结构表面扫描电镜照片；
图2：本发明实施例2所制备的竹节状SiC纳米线增韧陶瓷表面扫描电镜照片；
图3：本发明实施例2所制备的竹节状SiC纳米线增韧陶瓷断面扫描电镜照片。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1：将石墨分别用400号、800号和1000号的砂纸依次打磨抛光后用无水乙醇洗涤干净，于烘箱中烘干备用。制备步骤如下：
步骤1：分别称取10g的Si粉，20g的C粉和70g的SiO2粉。置于松脂球磨罐中，将玛瑙球放入松脂球磨罐中，在行星式球磨机上进行球磨混合处理2h得到粉料；
步骤2：将粉料放入石墨坩埚中，粉料厚度为坩埚深度的1/10，然后将烘干后的石墨用一束3K炭纤维捆绑后悬挂在粉料表面的上方；
步骤3：将石墨坩埚放入石墨为发热体的热压真空反应炉中，然后重复三次下述过程：抽真空30分钟后使真空度达到-0.09MPa，保真空30分钟，然后通入Ar气至常压；
步骤4：以5℃/min升温速度将炉温从室温升至1550℃，保温3小时；随后关闭电源自然冷却至室温得到表面含竹节状SiC纳米线多孔层的石墨，整个过程中通Ar保护；随后取出石墨坩埚，清理石墨上的炭纤维，在石墨上得到竹节状SiC纳米线多
步骤5：然后用一束3k炭纤维将表面含竹节状SiC纳米线多孔层的石墨捆绑后悬挂于立式双温区沉积炉内的高温区，该材料低端距离炉膛低端380mm；HfCl4粉放置在立式双温区沉积炉内的底温区，然后重复三次下述过程：将沉积炉抽真空15分钟后使真空度达到-0.09MPa，静置10分钟后通入Ar气至常压；
步骤6：通电升温，以8℃/min的升温速率度对沉积炉的高温区温度升至1000℃，以3℃/min的升温速率度对沉积炉的底温区温度升至400℃时；然后以300ml/min的流量向炉膛内通H2气，以50ml/min的流量向炉膛内通CH4气，并在该温度下保温2-4h，随后关掉电源自然降温，整个过程300ml/min的流量向沉积炉内通Ar气保护，打开出气口，炉膛内保持为常压状态。
然后打开炉盖后从炉膛中取出所制备的材料，清理材料上的炭纤维以及石墨得到竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷。测试结果表明：在陶瓷基体中引入竹节状SiC纳米线后，陶瓷材料的韧性被提高了126％。
实施例2：将石墨分别用400号、800号和1000号的砂纸依次打磨抛光后用无水乙醇洗涤干净，于烘箱中烘干备用。制备步骤如下：
步骤1：分别称取14g的Si粉，25g的C粉和61g的SiO2粉。置于松脂球磨罐中，取玛瑙球放入松脂球磨罐中，在行星式球磨机上进行球磨混合处理3h，作为粉料；
步骤2：将粉料放入石墨坩埚中，粉料厚度为坩埚深度的1/10，然后将石墨用一束3k炭纤维捆绑后悬挂在坩埚内的粉料表面上方；
步骤3：将石墨坩埚放入石墨为发热体的热压真空反应炉中，然后重复三次下述过程：抽真空30分钟后使真空度达到-0.09MPa，保真空30分钟，然后通入Ar气至常压；
步骤4：以7℃/min升温速度将炉温从室温升至1600℃，保温2小时；随后关闭电源自然冷却至室温得到表面含竹节状SiC纳米线多孔层的石墨，整个过程中通Ar保护；随后取出石墨坩埚，清理石墨上的炭纤维，在石墨上得到竹节状SiC纳米线多孔层。
步骤5：然后用一束3k炭纤维将表面含竹节状SiC纳米线多孔层的石墨捆绑后悬挂于立式双温区沉积炉内的高温区，该材料低端距离炉膛低端400mm；HfCl4粉放置在立式双温区沉积炉内的底温区，然后重复三次下述过程：将沉积炉抽真空15分钟后使真空度达到-0.09MPa，静置10分钟后通入Ar气至常压；
步骤6：通电升温，以10℃/min的升温速率度对沉积炉的高温区温度升至1100℃，以4℃/min的升温速率度对沉积炉的底温区温度升至450℃时；然后以400ml/min的流量向炉膛内通H2气，以100ml/min的流量向炉膛内通CH4气，并在该温度下保温2-4h，随后关掉电源自然降温，整个过程以300ml/min的流量向沉积炉内过程通Ar气保护。
然后打开炉盖后从炉膛中取出所制备的材料，清理材料上的炭纤维以及石墨得到竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷。由图1可见，化学气相沉积获得的竹节状SiC纳米线多孔层是由自由取向、无规则分布的竹节状纳米线构成。由图2可见，制备的竹节状SiC纳米线增韧陶瓷结构致密，无明显孔洞和裂纹等缺陷。由图3可见，制备的竹节状SiC纳米线在陶瓷基体中取向杂乱、分散均匀。由表1可知，竹节状SiC纳米线可以明显提高陶瓷的韧性，在陶瓷基体中引入竹节状SiC纳米线后，陶瓷材料的韧性被提高了159％。
实施例3：将石墨分别用400号、800号和1000号的砂纸依次打磨抛光后用无水乙醇洗涤干净，于烘箱中烘干备用。制备步骤如下：
步骤1：分别称取18g的Si粉，20g的C粉和52g的SiO2粉。置于松脂球磨罐中，取不同数量不同直径的玛瑙球放入松脂球磨罐中，在行星式球磨机上进行球磨混合处理4h，作为粉料
步骤2：将粉料放入石墨坩埚中，粉料厚度为坩埚深度的1/10，然后将石墨用一束3k炭纤维捆绑后悬挂在坩埚内的粉料表面上方；
步骤3：将石墨坩埚放入石墨为发热体的热压真空反应炉中，然后重复三次下述过程：抽真空30分钟后使真空度达到-0.09MPa，保真空30分钟，然后通入Ar气至常压；
步骤4：以10℃/min升温速度将炉温从室温升至1650℃，保温1小时；随后关闭电源自然冷却至室温得到表面含竹节状SiC纳米线多孔层的石墨，整个过程中通Ar保护；随后取出石墨坩埚，清理石墨上的炭纤维，在石墨上得到竹节状SiC纳米线多孔层；
步骤5：然后用一束3k炭纤维将表面含竹节状SiC纳米线多孔层的石墨捆绑后悬挂于立式双温区沉积炉内的高温区，该材料低端距离炉膛低端420mm；HfCl4粉放置在立式双温区沉积炉内的底温区，然后重复三次下述过程：将沉积炉抽真空15分钟后使真空度达到-0.09MPa，静置10分钟后通入Ar气至常压；
步骤6：通电升温，以12℃/min的升温速率度对沉积炉的高温区温度升至1200℃，以5℃/min的升温速率度对沉积炉的底温区温度升至400～500℃时；然后以500ml/min的流量向炉膛内通H2气，以150ml/min的流量向炉膛内通CH4气，并在该温度下保温2h，随后关掉电源自然降温，整个过程以300ml/min的流量向沉积炉内通Ar气保护。
关掉电源使炉膛自然冷却至室温，整个过程Ar保护。然后打开炉盖后从炉膛中取出所制备的材料，清理材料上的炭纤维以及石墨得到竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷。测试结果表明：在陶瓷基体中引入竹节状SiC纳米线后，陶瓷材料的韧性被提高了141％。
所有实施例中，HfCl4粉是通过H2和CH4的流动将其带入高温区反应室内。
所有实施例中，Si粉的纯度为99.5％、粒度为300目，C粉的纯度为99％、粒度为320目，SiO2粉的纯度分析纯、粒度为300目，HfCl4粉的纯度为分析纯、粒度为500目，氢气的纯度大于99.99％，丙稀的纯度大于99.99％。
本发明实施例2所制备的竹节状SiC纳米线增韧陶瓷的力学性能表
Claims (7)
1.一种制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将质量百分比为10～18％的Si粉，20～30％的C粉和52～70％的SiO2粉，置于松脂球磨罐中，球磨混合处理2-4小时得到粉料；
步骤2：将粉料放入石墨坩埚中，粉料厚度为坩埚深度的1/10，然后将石墨用一束3k炭纤维捆绑后悬挂在坩埚内的粉料表面上方；所述石墨分别用400号、800号和1000号的砂纸依次打磨抛光后用无水乙醇洗涤干净，于烘箱中烘干；
步骤3：将石墨坩埚放入石墨为发热体的热压真空反应炉中，然后重复三次下述过程：抽真空30分钟后使真空度达到-0.09MPa，保真空30分钟，然后通入Ar气至常压；
步骤4：以5～10℃/min升温速度将炉温从室温升至1550～1650℃，保温1～3小时；随后关闭电源自然冷却至室温得到表面含竹节状SiC纳米线多孔层的石墨，整个过程中通Ar保护；
步骤4：然后用一束3k炭纤维将表面含竹节状SiC纳米线多孔层的石墨捆绑后悬挂于立式双温区沉积炉内的高温区，HfCl4粉放置在立式双温区沉积炉内的低温区，然后重复三次下述过程：将沉积炉抽真空15分钟后使真空度达到-0.09MPa，静置10分钟后通入Ar气至常压；
步骤5：通电升温，以8～12℃/min的升温速率度对沉积炉的高温区温度升至1000～1200℃，以3～5℃/min的升温速率度对沉积炉的底温区温度升至400～500℃时；然后以300～500ml/min的流量向炉膛内通H2气，以50～150ml/min的流量向炉膛内通CH4气，并在该温度下保温2-4h，随后关掉电源自然降温，整个过程通Ar气保护。
2.根据权利要求1所述制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法，其特征在于：
所述Si粉的纯度为99.5％、粒度为300目。
3.根据权利要求1所述制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法，其特征在于：
所述C粉的纯度为99％、粒度为320目。
4.根据权利要求1所述制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法，其特征在于：
所述SiO2粉的纯度为分析纯、粒度为300目。
5.根据权利要求1所述制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法，其特征在于：
所述HfCl4粉的纯度为分析纯、粒度为500目。
6.根据权利要求1所述制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法，其特征在于：
所述H2的纯度大于99.99％。
7.根据权利要求1所述制备竹节状SiC纳米线增韧HfC陶瓷的方法，其特征在于：
所述CH4的纯度大于99.99％。
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