CN102390999A - 液相烧结SiC-TiC复合陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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洪学勤
宋仪杰
徐超
何见林
龚仕顺
雷中兴
田先明
陈光胜
徐志华
秦常杰
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本发明涉及液相烧结SiC-TiC复合陶瓷及其制备方法，属于高温陶瓷领域。液相烧结SiC-TiC复合陶瓷，其特征在于：它是将15～50wt%的碳化钛，40～80wt%的碳化硅，5～10wt%的助烧结剂混合，得到混合物，所述的助烧结剂由Al2O3和Y2O3按重量比为1:2～2:1配比而得，然后加入混合物总重量30～40wt%的蒸馏水和混合物总重量1～3wt%的有机结合剂，经配料、制浆、成型、干燥、烧结而得到的。本发明制备的SiC-TiC复合陶瓷致密度高，耐磨性能好，韧性好，具有广阔的应用前景。

Description

液相烧结SiC-TiC复合陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及液相烧结SiC-TiC复合陶瓷及其制备方法，属于高温陶瓷领域。
背景技术
碳化硅陶瓷材料具有高温强度大、高温抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳、热膨胀系数低、热导率大、硬度高、抗热震和耐化学腐蚀等优良性能，在汽车、机械加工、冶金、空间技术、石油化工、能源等领域有着广泛的应用前景，但其高脆性严重制约了它的广泛使用。如要进一步提高碳化硅陶瓷的性能，关键在于解决其脆性问题。
陶瓷的增韧方式主要有相变增韧、纤维（晶须）增韧、颗粒增韧以及复合增韧。目前报道的增韧碳化硅陶瓷多为含有碳化硅晶须或碳纤维的增韧碳化硅陶瓷，但这两种方法制备成本高，且在制造过程中，长径比高的碳化硅晶须及碳纤维较难与其他碳化硅陶瓷生产原料混合均匀，这在一定程度上影响了相应增韧碳化硅陶瓷成品的均匀性。另外，碳化硅晶须和碳纤维在生产过程中容易吸入体内，对人的身体健康有害。
颗粒增韧即陶瓷增韧方法中最简单的一种方法，具有同时提高材料强度和韧性的许多优点。影响第二相颗粒复合材料增韧效果的主要因素为基体与第二相颗粒的弹性模量E、热膨胀系数α及两项的化学相容性。其中化学相容性是复合的前提，两项之间不能存在过多的化学反应，同时又必须具有合适的界面综合强度。基于上述要求，本发明选取高熔点（3067℃）、高硬度（28Gpa-35Gpa)等优良性能的TiC作为增强相。
传统方法制备TiC-SiC复合材料大多是通过烧结TiC和SiC混合粉体来实现，但需要很高的温度（2000℃左右）才能致密化。近年来，国内外的研究焦点主要集中在一种新的烧结方法——液相烧结上，即以一定量的单元或多元低共熔氧化物为助烧结剂，在较低温度下实现碳化硅陶瓷的致密化。低温液相烧结同固相烧结相比在结构上得到明显的改善——晶粒细小均匀且成等轴晶状，同时由于界面液相的引入和独特的界面结合弱化，材料的断裂也变为完全的沿晶断裂模式，材料的强度和韧性显著提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高韧性、高强度的液相烧结SiC-TiC复合陶瓷及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案： 
液相烧结SiC-TiC复合陶瓷，其特征在于：它是将15～50wt%的碳化钛，40～80wt%的碳化硅，5～10wt%的助烧结剂混合，得到混合物，所述的助烧结剂由Al2O3和Y2O3按重量比为1:2～2:1配比而得，然后加入混合物总重量30～40wt%的蒸馏水和混合物总重量1～3wt%的有机结合剂，经配料、制浆、成型、干燥、烧结而得到的。
按上述方案，所述有机结合剂由柠檬酸氢二铵和聚丙烯醇按重量比为1:2～2:1配比而得。
按上述方案，所述的碳化硅为α-SiC和β-SiC的混合物，平均粒径为1～3μm。
按上述方案，所述的碳化钛平均粒径为1～2μm。
液相烧结SiC-TiC复合陶瓷的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
配料：按上述配比选取原料；
制浆：先在蒸馏水中加入经球磨混合均匀的助烧结剂粉末，搅拌，再加入碳化硅、碳化钛粉末，搅拌，最后加入有机结合剂持续搅拌直到料浆均匀混合；
成型：采用实心注浆法进行注浆，得到成型胚体；
干燥：成型坯体脱模，干燥；
烧结：将干燥坯体放入真空炉，升温到1850℃～2000℃进行液相烧结0.5～1.5小时，制得SiC-TiC复合陶瓷。
按上述方案，所述的干燥温度为45℃～75℃，干燥时间为60～72小时；
按上述方案，所述液相烧结SiC-TiC复合陶瓷的制备方法还包括精整步骤：将SiC-TiC复合陶瓷经精磨加工程序制得TiC-SiC复合陶瓷精加工品。
本发明将TiC作为碳化硅陶瓷的增强相，其特点在于：一方面TiC(7.4×10-6）和SiC(4.8×10-6)热膨胀系数失配，从而在TiC颗粒和周围基体内部产生残余应力场，由此产生的微裂纹有利于材料韧性的提高。另一方面，TiC晶体在温度≥800℃时会发生塑性变形，造成裂纹尖端区域发生形变，从而导致在材料在高温下更加坚韧。除此，TiC和SiC在高温下不发生化学反应。
本发明所述的助烧结剂为Al2O3+Y2O3，从Al2O3-Y2O3 的二元相图可以看出，其存在三个低3个低共熔化合物，YAG（Y3AlO12，熔点1760℃），YAP（YAlO3，熔点1850℃），YAM（Y4Al2O9，熔点1940℃）。应用该体系烧结助剂可以在较低温度下(1850℃）实现碳化硅陶瓷的致密化。
本发明采用柠檬酸氢二铵和聚丙烯醇按重量比为1:2～2:1配比后作为有机结合剂，能使助烧结剂助烧结剂、TiC及SiC在料浆中分散均匀，不易沉降，大大增加产品在高温下的各项指标。
本发明的有益效果：
本发明制备的SiC-TiC复合陶瓷致密度高，耐磨性能好，韧性好。与普通单相碳化硅陶瓷材料相比，本发明的SiC-TiC复合陶瓷的比重由3.1g/cm3提高到3.47g/cm3，常温抗折强度由260Mpa提高到580Mpa，1200℃抗折强度由280Mpa提高到400Mpa，断裂韧性由3.2Mpa·m1/2提高到7.8MPa·m1/2，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
实例1
配料：将按重量百分比计为TiC15%，SiC80%，Al2O3 1.7%、Y2O33.3%选取原料备用，所述碳化硅为α-SiC和β-SiC的混合物，平均粒径为1～3μm，碳化钛平均粒径为1～2μm，蒸馏水的重量为原料TiC，SiC，Al2O3和Y2O3总重量的40%，柠檬酸氢二铵为原料TiC，SiC，Al2O3和Y2O3总重量的0.5%，聚丙烯醇为原料TiC，SiC，Al2O3和Y2O3总重量的1%；
制浆：先在蒸馏水中加入经球磨5h混合均匀的Al2O3、Y2O3粉末搅拌5～10小时后，再加入碳化硅、碳化钛粉末进行搅拌3～5个小时，最后加入有机结合剂搅拌10小时以上，直到料浆均匀混合；
成型：采用实心注浆法进行注浆，得到成型胚体； 
干燥：成型坯体脱模后45℃～75℃干燥箱内进行60～72小时的烘干；
烧结：将修整好的干燥坯体放入真空炉，升温到1850℃～2000℃进行液相烧结0.5～1.5小时，制得TiC-SiC复合陶瓷坯体材料；
精整：将经过烧结后的坯体经精磨加工程序后，制得TiC-SiC复合陶瓷精加工品。
实例2
配料：将按重量百分比计为TiC 30%，SiC 60%，Al2O3 6.6%、Y2O3 3.4%选取原料备用，所述碳化硅为α-SiC和β-SiC的混合物，平均粒径为1～3μm，碳化钛平均粒径为1～2μm，蒸馏水的重量为原料TiC，SiC，Al2O3和Y2O3总重量的30%，柠檬酸氢二铵的重量为原料TiC，SiC，Al2O3和Y2O3总重量的1%，聚丙烯醇的重量为原料TiC，SiC，Al2O3和Y2O3总重量的1%；
其余制备步骤同实例1。
实例3
配料：将按重量百分比计为TiC 50%，SiC 43%，Al2O3 3.6%、Y2O3 3.4%选取原料备用，所述碳化硅为α-SiC和β-SiC的混合物，平均粒径为1～3μm，碳化钛平均粒径为1～2μm，蒸馏水的重量为原料TiC，SiC，Al2O3和Y2O3总重量的35%，柠檬酸氢二铵的重量为原料TiC，SiC，Al2O3和Y2O3总重量的1%，聚丙烯醇的重量为原料TiC，SiC，Al2O3和Y2O3总重量的2%；
其余制备步骤同实例1。
对照例1
配料：将按重量百分比计为TiC 0%，SiC 93%，Al2O3 3.6%、Y2O3 3.4%选取原料备用，所述碳化硅为α-SiC和β-SiC的混合物，平均粒径为1～3μm，碳化钛平均粒径为1～2μm，蒸馏水的重量为原料TiC，SiC，Al2O3和Y2O3总重量的40%，柠檬酸氢二铵的重量为原料SiC，Al2O3和Y2O3总重量的0.5%，聚丙烯醇的重量为原料SiC，Al2O3和Y2O3总重量的1%；
其余制备步骤同实例1。
实例1-4的SiC-TiC复合陶瓷性能检测
检测项目 实例1 实例2 实例3 对照例1 普通SiC陶瓷
体积密度（g/cm3) 3.31 3.40 3.47 3.1 2.65
常温抗折强度（Mpa) 440 470 580 260 160
1200℃抗折强度（Mpa) 320 360 400 280 45
断裂韧性（Mpa.m1/2） 4.8 6.1 7.8 3.2 3.0
由实例可以看出，随着TiC的含量增加，SiC-TiC复合陶瓷的密度、强度和韧性也随之增加，当TiC含量达到50%时，密度达到3.47，抗折强度达到最大（常温580Mpa，1200℃ 400Mpa)，断裂韧性达到最大（7.8Mpa.m1/2），远远超过普通单相碳化硅陶瓷性能。

Claims (7)

1. 液相烧结SiC-TiC复合陶瓷，其特征在于：它是将15～50wt%的碳化钛，40～80wt%的碳化硅，5～10wt%的助烧结剂混合，得到混合物，所述的助烧结剂由Al2O3和Y2O3按重量比为1:2～2:1配比而得，然后加入混合物总重量30～40wt%的蒸馏水和混合物总重量1～3wt%的有机结合剂，经配料、制浆、成型、干燥、烧结而得到的。
2. 根据权利要求1所述的液相烧结SiC-TiC复合陶瓷，其特征在于：所述有机结合剂由柠檬酸氢二铵和聚丙烯醇按重量比为1:2～2:1配比而得。
3. 根据权利要求1所述的液相烧结SiC-TiC复合陶瓷的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
配料：按上述配比选取原料；
制浆：先在蒸馏水中加入经球磨混合均匀的助烧结剂粉末，搅拌，再加入碳化硅、碳化钛粉末，搅拌，最后加入有机结合剂持续搅拌直到料浆均匀混合；
成型：采用实心注浆法进行注浆，得到成型胚体；
干燥：成型坯体脱模，干燥；
烧结：将干燥坯体放入真空炉，升温到1850℃～2000℃进行液相烧结0.5～1.5小时，制得SiC-TiC复合陶瓷。
4. 根据权利要求3所述的液相烧结SiC-TiC复合陶瓷的制备方法，其特征在于：所述的碳化硅为α-SiC和β-SiC的混合物，平均粒径为1～3μm。
5. 根据权利要求3所述的液相烧结SiC-TiC复合陶瓷的制备方法，其特征在于：所述的碳化钛平均粒径为1～2μm。
6. 根据权利要求3所述的液相烧结SiC-TiC复合陶瓷的制备方法，其特征在于：所述的干燥温度为45℃～75℃，干燥时间为60～72小时。
7. 根据权利要求3所述的液相烧结SiC-TiC复合陶瓷的制备方法，其特征在于：它还包括精整步骤；将SiC-TiC复合陶瓷经精磨加工程序制得TiC-SiC复合陶瓷精加工品。
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