CN102173809B - 梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法 - Google Patents

梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法，其特征在于采用以下步骤：1)采用流延法分别制备不同组分的流延片：先将粘结剂和增塑剂加入溶剂中搅拌均匀，再分别加入硼化锆陶瓷粉料、搅拌均匀，形成流延料，然后流延成型；2)切片；3)按硼化锆组分大小依次叠加放入石墨磨具中，层数大于15层，从上到下，各层流延片的硼化锆陶瓷粉料中硼化锆质量百分比依次减少，碳化硅质量百分比不变或减少，氧化锆质量百分比依次增加，各层流延片的硼化锆陶瓷粉料中三种组分质量百分和为100％，然后真空脱脂；4)热压烧结，制备出具有隔热功能的梯度硼化锆超高温陶瓷。本发明制备工艺简单、成本低，可制备出超薄陶瓷部件，断裂韧性高达8MPa·m1/2。

Description

梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法
技术领域
本发明提供一种梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法，属于超高温陶瓷的制备技术领域。
背景技术
硼化锆陶瓷具有优越的耐高温和耐腐蚀性能及相对较低的理论密度，因此一直被认为是超高温陶瓷(UHTCs)家族中最有应用前景的材料之一。目前，硼化锆陶瓷已广泛用作各种高温结构及功能材料，如：航空工业中的涡轮叶片、磁流体发电电极等。但硼化锆陶瓷断裂韧性较低，韧值仅为4～5MPa·m1/2，限制了其在苛刻作业环境下的应用，如超声速飞行器鼻锥和前沿、超燃冲压发动机热端部件等。因此，为了保证使用过程中的可靠性和安全性，必须改善硼化锆陶瓷的脆性问题，从而提高其耐热冲击性能。同时材料在实际服役环境中，另一端与其他器件接触，要求具有一定的隔热性能，这样才能延长整体部件的服役寿命。目前已有关于制备超高温硼化锆陶瓷的报道，如：专利号为CN101602597A的“硼化锆-碳化硅-碳黑三元高韧化超高温陶瓷基复合材料及其制备方法”强度为132.03～695.54MPa，断裂韧性为2.01～6.57MPa·m1/2，不具有隔热功能；专利号为CN101250061B的“氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料的制备方法”断裂韧性达到6.0～6.8MPa·m1/2，不具有隔热功能；专利号为CN101391895A的“梯度防/隔热陶瓷基复合材料及其制备方法”采用把各层干粉按顺序平铺的方法制备出具有5层结构的层状超高温硼化锆陶瓷，具有隔热功能，但由于采用平铺法，各层较厚，且各层容易互混，界面不清晰，厚度不均，可操作性差，不能工业化生产，同时由于层较厚，不能制备超薄部件。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有硼化锆超高温陶瓷韧性和隔热性能差的问题，而提供一种梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法。其技术方案为：
一种梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法，其特征在于采用以下步骤：
1)采用流延法分别制备不同组分的流延片：先将粘结剂和增塑剂加入溶剂中搅拌均匀，再分别加入硼化锆陶瓷粉料、搅拌均匀，形成流延料，然后流延成型，室温干燥脱模后分别得到100～1000μm厚的流延片；
2)对流延片依照模具大小分别切片；
3)按硼化锆组分大小依次叠加放入石墨磨具中，层数大于15层，其中最上层流延片中硼化锆陶瓷粉料的组成按质量百分比由95％硼化锆、5％碳化硅和0％氧化锆混合而成，然后从上到下，硼化锆陶瓷粉料中硼化锆质量百分比依次减少，碳化硅质量百分比不变或减少，氧化锆质量百分比依次增加，各层流延片的硼化锆陶瓷粉料中三种组分质量百分和为100％，然后真空脱脂，脱脂时，升温速度为2～3℃/min，升温至600～700℃，保温0.5～1h；
4)在氩气气氛下热压烧结，烧结温度为1800～1900℃，保温0.5～2h，压力为20～40MPa，即得梯度硼化锆超高温陶瓷。
所述的梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法，步骤3)中，硼化锆粉末的粒径为1～5μm，碳化硅粉末的粒径为0.5～2μm，氧化锆粉末为纳米氧化锆。
所述的梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法，步骤1)中，粘结剂、增塑剂和溶剂的重量均以硼化锆陶瓷粉料重量为基础计算，分别称取5～15％、5～15％和100～200％。
所述的梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法，粘结剂采用聚乙烯醇缩丁醛；增塑剂采用聚乙二醇；溶剂采用乙醇。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、梯度硼化锆超高温陶瓷中相邻层间成分变化不大，使层间具有较小的剩余热应力，界面结合性较好，无层脱落现象；
2、纳米氧化锆制备的陶瓷断裂韧性高达18MPa·m1/2，由于，梯度硼化锆超高温陶瓷中，纳米氧化锆百分含量由上向下依次增加，即表现为梯度硼化锆超高温陶瓷由上向下断裂韧性依次提高，也使得梯度硼化锆超高温陶瓷的整体断裂韧性较高，断裂韧性达到8MPa·m1/2；
3、上层富硼化锆-碳化硅为防热端，下层富氧化锆为隔热端，氧化锆热导率为2.3w/m·k，所以降低了垂直于层方向的热传导，使梯度硼化锆超高温陶瓷具有隔热功能；
4、通过流延法制备的流延片厚度可控，最薄只有100μm厚，烧结后厚度为50μm左右，制备出梯度硼化锆超高温陶瓷厚度最小可达1mm，可制备出超薄硼化锆陶瓷部件。
具体实施方式
实施例1
1、制备20种不同组分的流延片：依照下表先称量聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇、乙醇，搅拌均匀，再加入1μm的硼化锆粉末、0.5μm的碳化硅粉末、纳米氧化锆粉末搅拌均匀，形成各层的流延料；再将各层流延料分别流延，室温干燥脱模后得到各层流延片；
Figure BSA00000410384700031
2、对各层流延片依照模具大小分别切片；
3、然后从上到下，将各层流延片依次叠加放入石墨磨具中，再真空脱脂，脱脂时，升温速度为2℃/min，升温至600℃，保温1h；
4、然后采用氩气气氛热压烧结，烧结温度为1800℃，保温0.5h，压力为20MPa，即制得梯度硼化锆超高温陶瓷。
实施例2
1、制备15种不同组分的流延片：依照下表先称量聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇、乙醇，搅拌均匀，再加入2μm的硼化锆粉末、1μm的碳化硅粉末、纳米氧化锆粉末搅拌均匀，形成各层的流延料；再将各层流延料分别流延，室温干燥脱模后得到各层流延片；
2、对各层流延片依照模具大小分别切片；
3、然后从上到下，将各层流延片依次叠加放入石墨磨具中，再真空脱脂，脱脂时，升温速度为2.5℃/min，升温至700℃，保温1h；
4、然后采用氩气气氛热压烧结，烧结温度为1850℃，保温1h，压力为30MPa，即制得梯度硼化锆超高温陶瓷。
实施例3
1、制备17种不同组分的流延片：依照下表先称量聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇、乙醇，搅拌均匀，再加入5μm的硼化锆粉末、2μm的碳化硅粉末、纳米氧化锆粉末搅拌均匀，形成各层的流延料；再将各层流延料分别流延，室温干燥脱模后得到各层流延片；
2、对各层流延片依照模具大小分别切片；
3、然后从上到下，将各层流延片依次叠加放入石墨磨具中，再真空脱脂，脱脂时，升温速度为3℃/min，升温至650℃，保温1h；
4、然后采用氩气气氛热压烧结，烧结温度为1900℃，保温1h，压力为40MPa，即制得梯度硼化锆超高温陶瓷。

Claims (4)

1.一种梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法，其特征在于采用以下步骤：
1）采用流延法分别制备不同组分的流延片：先将粘结剂和增塑剂加入溶剂中搅拌均匀，再分别加入硼化锆陶瓷粉料、搅拌均匀，形成流延料，然后流延成型，室温干燥脱模后分别得到100～1000μm厚的流延片；
2）对流延片依照模具大小分别切片；
3）按硼化锆组分大小依次叠加放入石墨磨具中，层数大于15层，其中最上层流延片中硼化锆陶瓷粉料的组成按质量百分比由95%硼化锆、5%碳化硅和0%氧化锆混合而成，然后从上到下，硼化锆陶瓷粉料中硼化锆质量百分比依次减少，碳化硅质量百分比不变或减少，氧化锆质量百分比依次增加，各层流延片的硼化锆陶瓷粉料中三种组分质量百分和为100%，然后真空脱脂，脱脂时，升温速度为2～3℃/min，升温至600～700℃，保温0.5～1h；
4）在氩气气氛下热压烧结，烧结温度为1800～1900℃，保温0.5～2h，压力为20～40MPa，即得梯度硼化锆超高温陶瓷。
2.如权利要求1所述的梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤3）中，硼化锆粉末的粒径为1～5μm，碳化硅粉末的粒径为0.5～2μm，氧化锆粉末为纳米氧化锆。
3.如权利要求1所述的梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤1）中，粘结剂、增塑剂和溶剂的重量均以硼化锆陶瓷粉料重量为基础计算，分别称取5～15%、5～15%和100～200%。
4.如权利要求1或3所述的梯度硼化锆超高温陶瓷的制备方法，其特征在于：粘结剂采用聚乙烯醇缩丁醛；增塑剂采用聚乙二醇；溶剂采用乙醇。
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