CN102161588A - ZrB2/SiC/Zr-Al-C陶瓷的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种ZrB2/SiC/Zr-Al-C陶瓷的制备方法，该方法是采用金属Zr、Al及其化合物包裹的ZrB2粉体、SiC和石墨粉体为原料，利用Zr、Al和C的原位反应合成层状的Zr-Al-C化合物来增韧ZrB2-SiC的复合材料；该方法包括混合粉体的制备和烧结步骤，其中烧结过程是将称取的混合均匀粉体装入石墨模具中，在1600°C-1900°C温度烧结，烧结压力为0-30MPa。本发明可以获得致密的ZrB2/SiC/Zr-Al-C复相陶瓷，且韧性比在同样条件下制备的ZrB2-SiC陶瓷有明显提高，并且具有工艺简单，合成烧结一步完成的特点。

Description

ZrB<sub>2</sub>/SiC/Zr-Al-C陶瓷的制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷领域，特别是一种ZrB2/SiC/Zr-Al-C超高温陶瓷的制备方法。
背景技术
超高温陶瓷在航天航空、军事等领域有着重要应用，特别是超高温飞行器的机翼前缘，头锥，引擎等需要承受2000°C以上超高温的部位，只有超高温陶瓷才可胜任。ZrB2-SiC是目前认为最有望应用的超高温复合材料体系，但是，ZrB2-SiC陶瓷韧性不高。目前对其增韧多是采用纤维，如：SiC纤维，石墨纤维或者碳纳米管等来增韧，如加入SiCw，SPS烧结韧性可达6.81MPam1/2，加入20vol%石墨短纤维，热压烧结后韧性可达6.56 MPa·m1/2，此外有学者用具有层状结构的Ti3SiC2来增韧Al2O3陶瓷。
Hailong Wang(Journal of the American Ceramic Society，90，1992，2007)等人利用纳米SiCw，1550°C时，SPS烧结后样品的断裂韧性增加到6.81MPam1/2。若通过掺入烧结助剂Si3N4和AlN后断裂韧性也得到很大的提高。
Xinghong Zhang(Journal of Alloys and Compounds, 466, 241, 2008)等人利用SPS和热压分别掺入SiCw烧结，其断裂韧性得到明显提高。
Feiyu Yang(Materials Letters,62,2925,2008)等人在ZrB2-20vol%SiC化合物中掺入20vol%石墨短纤维，通过热压在2000°C，30MPa，保温1h，烧结出致密复相陶瓷，断裂韧性达到6.56 MPa·m1/2，相比直接烧结ZrB2-20vol%SiC化合物得到的断裂韧性提高了54%。
WuBian Tian(Materials Science and Engineering A,487,568,2008)等人在ZrB2-20vol%SiC化合物中掺入2wt%碳纳米管，通过热压在1900°C，30MPa，保温1h，烧结出复相陶瓷，其韧性比未加入碳纳米管时提高了15%，其断裂韧性达到4.6±0.6MPa·m1/2。
Qiang Liu(Scripta Materialia,61,690,2009)等人在ZrB2中掺入20vol%纳米SiC颗粒，在1900°C通过热压烧结后断裂韧性可以达到6.5±0.3 MPa·m1/2。
经过文献调研，目前还没有报道过利用Zr-Al-C三元化合物来提高ZrB2-SiC基超高温陶瓷的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对ZrB2-SiC超高温陶瓷脆性大的缺陷，制备ZrB2/SiC/Zr-Al-C复合体系。利用Zr-Al-C化合物的层状结构，及其与ZrB2形成的特殊微观包裹结构，通过改变裂纹走向等实现增加裂纹扩展能，达到提高韧性的目的。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的ZrB2/SiC/Zr-Al-C陶瓷的制备方法，其包括以下步骤：
（1）混合粉体的制备：
所用原料为Zr、Al及其合金包裹的ZrB2粉体、SiC和C，原料中各物质的含量为Zr、Al包裹ZrB2的粉体的量为83.5-87.6wt%，其中Zr所占包裹ZrB2的粉体含量为2.5-16.2wt%，Al所占包裹ZrB2的粉体含量为2.2-14.0wt%，SiC所占混合粉体含量为11.7-12.3wt%，C所占混合粉体含量为0.7-4.2wt%，将上述原料采用球磨混合均匀，得到混合均匀粉体；
（2）烧结：
称取混合均匀粉体装入石墨模具中，在1600°C-1900°C温度烧结，烧结压力为0-30MPa，得到致密的ZrB2/SiC/Zr-Al-C陶瓷。
起始原料中金属Zr占包裹粉体的含量可以为16.2wt%。
起始原料中金属Al占包裹粉体的含量可以为14.0wt%。
起始原料中C的含量可以为4.2wt%。
所述烧结温度可以为1700°C-1800°C，烧结压力可以为10-20MPa。
所述烧结温度优选为1900°C，烧结压力优选为30MPa。
本发明的机理是：利用Zr、Al及其化合物包裹ZrB2粉体为原料，通过与SiC和C的混合，再经高温烧结。通过Zr、Al、C的原位反应合成出Zr-Al-C化合物，使得所制备的复相陶瓷中具有Zr-Al-C层状化合物包裹ZrB2结构，实现增韧的效果。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
本方法可以通过原位反应合成具有层状结构的Zr-Al-C化合物，利用层状结构的高韧性和特殊的包裹结构增韧效果及复合增韧来达到进一步提高ZrB2-SiC超高温陶瓷的韧性。烧结后获得致密的ZrB2/SiC/Zr-Al-C复相陶瓷，且韧性比在同样条件下制备的ZrB2-SiC陶瓷有明显提高。
本方法具备工艺简单，合成烧结一步完成的特点。
附图说明
图1是本发明的制备工艺流程图。
图2是实施例2烧结后试样的X射线衍射图。
图3是实施例2烧结后试样的平面的背散射电子图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1所示一种ZrB2/SiC/Zr-Al-C陶瓷的制备方法。包括如下的步骤：
1)．混合粉体的制备：称取Zr、Al包裹ZrB2的粉体的量为87.6wt%，其中Zr和Al所占包裹粉体含量为Zr：2.5wt%，Al：2.2wt%，SiC粉体的量为11.7wt%，C粉体的量为0.7wt%，将称取的原料放入球磨中，球磨24h混合均匀。
2)．高温烧结过程：称4g混合均匀的粉体，装入石墨模具后，烧结温度为1800°C，烧结压力为30MPa，得到致密度为99.39%的复相陶瓷。
实施例2
如图1所示一种ZrB2/SiC/Zr-Al-C陶瓷的制备方法。包括如下的步骤：
1)．混合粉体的制备：称取Zr、Al包裹ZrB2的粉体的量为83.5wt%，其中Zr和Al所占包裹粉体含量为Zr：16.2wt%，Al：14.0wt%，SiC粉体的量为12.3wt%，C粉体的量为4.2wt%，将称取的原料放入球磨中，球磨24h混合均匀。
2)．高温烧结过程：称4g混合均匀的粉体，装入石墨模具后，烧结温度为1800°C，烧结压力为30MPa，得到致密度为96.39%的复相陶瓷。
本实施例烧结后试样的X射线衍射图如图2所示。从烧结后得到的X射线衍射图可以看到，除了ZrB2和SiC化合物，反应生成了Zr-Al-C化合物，其中包括Zr3Al3C5和Zr2Al4C5化合物。
本实施例烧结后试样的平面的背散射电子图如图3所示。从烧结后得到的平面的背散射电子图中可以看到，亮色的相是ZrB2化合物，层状的相是Zr-Al-C化合物，黑色的相是SiC化合物；反应生成的层状Zr-Al-C化合物均匀分布在ZrB2晶粒周围，并且形成了具有特殊的Zr-Al-C层状包覆ZrB2晶粒的微观结构。
实施例3
如图1所示一种ZrB2/SiC/Zr-Al-C陶瓷的制备方法。包括如下的步骤：
1)．混合粉体的制备：称取Zr、Al包裹ZrB2的粉体的量为83.5wt%，其中Zr和Al所占包裹粉体含量为Zr：16.2wt%，Al：14.0wt%，SiC粉体的量为12.3wt%，C粉体的量为4.2wt%，将称取的原料放入球磨中，球磨24h混合均匀。
2)．高温烧结过程：称4g混合均匀的粉体，装入石墨模具后，烧结温度为1600°C，烧结压力为30MPa，得到致密度为95.69%的复相陶瓷。
实施例4
如图1所示一种ZrB2/SiC/Zr-Al-C陶瓷的制备方法。包括如下的步骤：
1)．混合粉体的制备：称取Zr、Al包裹ZrB2的粉体的量为83.5wt%，其中Zr和Al所占包裹粉体含量为Zr：16.2wt%，Al：14.0wt%，SiC粉体的量为12.3wt%，C粉体的量为4.2wt%，将称取的原料放入球磨中，球磨24h混合均匀。
2)．高温烧结过程：称4g混合均匀的粉体，装入石墨模具后，烧结温度为1900°C，烧结压力为30MPa，得到致密度为99.18%的复相陶瓷。
实施例5
如图1所示一种ZrB2/SiC/Zr-Al-C陶瓷的制备方法。包括如下的步骤：
1)．混合粉体的制备：称取Zr、Al包裹ZrB2的粉体的量为83.5wt%，其中Zr和Al所占包裹粉体含量为Zr：16.2wt%，Al：14.0wt%，SiC粉体的量为12.3wt%，C粉体的量为4.2wt%，将称取的原料放入球磨中，球磨24h混合均匀。
2)．高温烧结过程：称4g混合均匀的粉体，装入石墨模具后，烧结温度为1900°C，烧结压力为0MPa，得到致密度为96.72%的复相陶瓷。
上述实施例中，其烧结后试样的断裂韧性值如表1所示。
上述实施例烧结后试样的X射线衍射图和背散射电子图基本上都一样。
附表
表1      烧结后试样的断裂韧性值
材料体系 断裂韧性/MPa m1/2
实例1 4.62±0.18
实例2 5.93±0.31
实例3 4.21±0.21
实例4 5.44±0.31
实例5 4.72±0.24

Claims (6)

1.一种ZrB2/SiC/Zr-Al-C陶瓷的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
（1）混合粉体的制备：
所用原料为Zr、Al及其合金包裹的ZrB2粉体、SiC和C，原料中各物质的含量为Zr、Al包裹ZrB2的粉体的量为83.5-87.6wt%，其中Zr所占包裹ZrB2的粉体含量为2.5-16.2wt%，Al所占包裹ZrB2的粉体含量为2.2-14.0wt%，SiC所占混合粉体含量为11.7-12.3wt%，C所占混合粉体含量为0.7-4.2wt%，将上述原料采用球磨混合均匀，得到混合均匀粉体；
（2）烧结：
称取混合均匀粉体装入石墨模具中，在1600°C-1900°C温度烧结，烧结压力为0-30MPa，得到致密的ZrB2/SiC/Zr-Al-C陶瓷。
2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：起始原料中金属Zr占包裹粉体的含量为16.2wt%。
3. 如权利要求1所述的制备方法，其特征是：起始原料中金属Al占包裹粉体的含量为14.0wt%。
4. 如权利要求1所述的制备方法，其特征是：起始原料中C的含量为4.2wt%。
5. 如权利要求1所述的制备方法，其特征是：烧结温度为1700°C-1800°C，烧结压力为10-20MPa。
6. 如权利要求1所述的制备方法，其特征是：烧结温度为1900°C，烧结压力为30MPa。
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