CN102718486B - 一种铪铝碳-石墨复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种铪铝碳-石墨复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102718486B CN102718486B CN 201110139956 CN201110139956A CN102718486B CN 102718486 B CN102718486 B CN 102718486B CN 201110139956 CN201110139956 CN 201110139956 CN 201110139956 A CN201110139956 A CN 201110139956A CN 102718486 B CN102718486 B CN 102718486B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- graphite
- powder
- hafnium
- composite material
- graphite composite
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 64
- 239000010439 graphite Substances 0.000 title claims abstract description 64
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 36
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 19
- 239000008187 granular material Substances 0.000 claims description 16
- RQMIWLMVTCKXAQ-UHFFFAOYSA-N [AlH3].[C] Chemical compound [AlH3].[C] RQMIWLMVTCKXAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical group [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 claims description 4
- 238000012856 packing Methods 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 claims 1
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 9
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 8
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 5
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 abstract description 3
- 239000011214 refractory ceramic Substances 0.000 abstract description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 19
- -1 hafnium-aluminum-carbon Chemical compound 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000003078 antioxidant effect Effects 0.000 description 1
- 235000006708 antioxidants Nutrition 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
本发明涉及耐高温陶瓷及其制备技术，提供了一种铪铝碳-石墨复合材料以及原位反应热压制备铪铝碳-石墨复合材料的方法，可以解决铪铝碳陶瓷韧性偏低，可加工性差的问题。具体的工艺流程为：采用一定化学计量比的Hf粉、Al粉和C粉为原料，原料经过物理机械方法混合5～50小时，以5～20MPa的压力冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有惰性气体作为保护气(或真空下)的热压炉中加热至1600℃～2400℃原位热压反应0.1～4小时，热压压力为20～40MPa。本发明可以在较低温度下、短时间内合成高强度、高韧性、高损伤容限、良好可加工性等性能的铪铝碳-石墨复合材料，采用本发明方法获得的材料可以在大于1600℃的高温下使用。
Description
技术领域
本发明涉及耐高温陶瓷及其制备技术，特别提供了一种铪铝碳-石墨(Hf2Al4C5-graphite)复合材料以及原位反应热压制备铪铝碳-石墨复合材料的方法。
背景技术
铪铝碳(Hf3Al3C5、Hf3Al4C6、Hf2Al4C5及多相复合)陶瓷材料是新型的耐超高温、抗氧化的三元材料。它们综合了高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蚀、高电导率、热导率、较强的破坏容忍性等优点。在航空、航天、核工业、超高温结构件等高新技术领域都有广泛的应用前景。尽管铪铝碳(Hf3Al3C5、Hf3Al4C6、Hf2Al4C5及多相复合)陶瓷材料具有如此优异的性能，可加工性方面的困难限制了对其性能的研究与它的应用。引入较弱的第二相颗粒是提高陶瓷韧性及可加工性的有效方法之一，例如，Gao等人向基体Si3N4中引入较弱的BN第二相生成的复合材料显著的提高了氮化硅陶瓷的强度、韧性和可加工性(Mater.Sci.Eng.A.(材料科学与工程杂志A)415(2006)145)。Hf2[Al(Si)]4C5陶瓷是典型的三元Hf-Al-C结构材料(Scripta Mater.，(材料快报)62(2010)427)，同样具有上述的优缺点。但是，目前还没有改善Hf2[Al(Si)]4C5可加工性和韧性等方面的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铪铝碳-石墨(Hf2Al4C5-graphite)复合材料及其制备方法，可以解决铪铝碳陶瓷韧性偏低，可加工性差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种铪铝碳-石墨复合材料，由第二相石墨颗粒和铪铝碳基体组成，石墨颗粒均匀地弥散分布在铪铝碳基体中，其中石墨颗粒的体积百分数为5～30％，石墨颗粒的粒度约为：11～32μm。
所述铪铝碳-石墨复合材料的制备方法，具体步骤如下：
1)原料组成及成分范围：
以单质Hf粉、Al粉和C粉作为原料，其中Hf∶Al∶C的摩尔比为2∶(3～5)∶(4～9)。
2)制备工艺：
原料经过物理机械方法混合5～50小时，以5～20MPa的压力常温下冷压成饼状，冷压时间1～30分钟，装入石墨模具中，在通有惰性气体(如氩气)作为保护气(或真空下，真空度高于10-1Pa)的热压炉中以2～50℃/min(优选为5～30℃/min)的升温速率升至1600℃～2400℃原位热压反应0.1～4小时(优选为0.5～2小时)，热压压力为20～40MPa(优选为30MPa)。
本发明中，Hf粉、Al粉和C粉的粒度为200～400目；采用本发明方法获得的铪铝碳-石墨复合材料尺寸为Φ(25～60)mm×(2～30)mm；所述物理机械方法采用在酒精介质中球磨。
本发明的特点是：
1.本发明选用原料简单，分别是Hf粉、Al粉和C粉。
2.本发明采用原位反应热压方法，烧结与致密化同时进行，可以获得致密的铪铝碳-石墨两相复合材料，复合材料力学性能好、纯度高、操作简单、工艺条件容易控制、成本低。
3.采用本发明方法获得的复合材料在室温下比单一的铪铝碳陶瓷具有更高的断裂韧性和可加工性，并可以在大于1600℃的超高温使用。
附图说明
图1为Hf2Al4C5-30vol.％graphite复合材料的X-射线衍射图谱。
图2为Hf2Al4C5-20vol.％graphite复合材料的X-射线衍射图谱。
图3(a)-(b)分别为Hf2Al4C5-20vol.％graphite复合材料的抛光腐蚀表面和弯曲断面的扫描电镜照片。
图4为Hf2[Al(Si)]4C5和Hf2Al4C5-20vol.％graphite复合材料室温至高温弹性模量的对比。
具体实施方式
下面通过实施例详述本发明。
实施例1.
原料采用粒度为350目左右的Hf粉100.0克、Al粉31.4克和C粉27.1克，在酒精介质中球磨12小时，在10MPa的压力下冷压成饼状，冷压时间30分钟，装入石墨模具中，在通有惰性气体(氩气)作为保护气的热压炉中以5℃/min的升温速率升至1850℃原位反应热压0.5小时，热压压力为40MPa。获得的是Hf2Al4C5-10vol.％graphite复合材料，石墨颗粒均匀地弥散分布在铪铝碳基体中，石墨颗粒的粒度约为：11μm。铪铝碳-石墨复合材料尺寸为Φ60mm×10mm。
本实施例中，铪铝碳-石墨复合材料室温时的动态杨氏模量和剪切模量分别为319和134GPa；维氏硬度为6.5GPa；抗弯强度为288MPa；断裂韧性为3.42MPa·m1/2。另外，本实施例中，铪铝碳-石墨复合材料的相对密度为97％。
实施例2.
原料采用粒度为300目左右的Hf粉100.0克、Al粉32.4克和C粉36.6克，在酒精介质中球磨20小时，在15MPa的压力下冷压成饼状，冷压时间15分钟，装入石墨模具中，在通有惰性气体(氩气)作为保护气的热压炉中以10℃/min的升温速率升至2000℃原位反应热压1小时，热压压力为35MPa。获得的是Hf2Al4C5-30vol.％graphite复合材料，石墨颗粒均匀地弥散分布在铪铝碳基体中，石墨颗粒的粒度约为：18μm。铪铝碳-石墨复合材料尺寸为Φ50mm×16mm。相应的X-射线衍射图谱列在附图1上。由图1可以看出，复合材料仅由铪铝碳和石墨两相组成，其中铪铝碳陶瓷为主相，含量较多。
本实施例中，铪铝碳-石墨复合材料室温时的动态杨氏模量和剪切模量分别为219和90GPa；维氏硬度为5.7GPa；抗弯强度为259MPa；断裂韧性为3.82MPa·m1/2。另外，本实施例中，铪铝碳-石墨复合材料的相对密度为96％。
实施例3.
原料采用粒度为400目左右的Hf粉100.0克、Al粉33.4克和C粉28.2克，在酒精介质中球磨24小时，在20MPa的压力下冷压成饼状，冷压时间5分钟，装入石墨模具中，在真空(真空度为10-2Pa)热压炉中以15℃/min的升温速率升至1900℃原位反应热压1小时，热压压力为30MPa。获得的是Hf2Al4C5-20vol.％graphite复合材料，石墨颗粒均匀地弥散分布在铪铝碳基体中，石墨颗粒的粒度约为：32μm。铪铝碳-石墨复合材料尺寸为Φ50mm×15mm。相应的X-射线衍射图谱和晶粒形貌扫描电镜照片分别如附图2和3所示。由图2可以看出，复合材料仅由铪铝碳和石墨两相组成，其中铪铝碳陶瓷为主相，含量较多。从图3(a)中可以看出细条状石墨颗粒均匀分布在铪铝碳陶瓷基体中；从图3(b)中可以看出细条状石墨颗粒被拔出和扭折的现象，这有助于提高材料的韧性。
本实施例中，铪铝碳-石墨复合材料室温时的杨氏模量和剪切模量分别为270和114GPa；维氏硬度为6.0GPa；抗弯强度为272MPa；断裂韧性为3.77MPa·m1/2。从动态杨氏模量和温度的关系曲线(附图4)可以看出该复合材料在1600℃仍能保持很高的高温刚性(254GPa)。另外，本实施例中，铪铝碳-石墨复合材料的相对密度为98％。
比较例
采用与实施例3相同的工艺制备了单相Hf2[Al(Si)]4C5，其室温时的维氏硬度为15.5GPa；动态杨氏模量和剪切模量分别为368和155GPa；抗弯强度为294MPa，断裂韧性为3.52MPa·m1/2。动态杨氏模量和温度的关系曲线(附图4)显示，在整个测试温度范围，Hf2Al4C5-20vol.％graphite复合材料的杨氏模量几乎不变，其下降趋势比单相Hf2[Al(Si)]4C5要低的多。应用评价损伤容限的公式：Dt＝(KIC·E)/(σb·H)，计算出Hf2Al4C5-20vol.％graphite复合材料的Dt值为0.63，而单相Hf2[Al(Si)]4C5仅为0.28。损伤容限高则意味值材料的可加工性能好。因此Hf2Al4C5-20vol.％graphite复合材料的韧性和可加工性均得到了改进。
结果表明，采用本发明可以在较低温度下、短时间内合成高强度、高韧性、高损伤容限、良好可加工性等性能的铪铝碳-石墨复合材料，采用本发明方法获得的材料可以在大于1600℃的高温下使用。
Claims (6)
1.一种铪铝碳–石墨复合材料，其特征在于：由石墨颗粒第二相和铪铝碳基体组成，石墨颗粒均匀地弥散分布在铪铝碳基体中；其中石墨颗粒弥散相的体积百分数为5～30%，石墨颗粒的粒度为：11～32μm；铪铝碳为Hf2Al4C5。
2.一种权利要求1所述的铪铝碳–石墨复合材料的制备方法，其特征在于：以单质Hf粉、Al粉和C粉作为原料，其中Hf:Al:C的摩尔比为2:(3～5):(4～9)，原料粉经过物理机械方法混合5～50小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为5～20MPa，冷压时间1～30分钟；在通有惰性气体保护气氛或真空的热压炉内烧结，升温速率为2～50℃/分钟，烧结温度为1600～2400℃、烧结时间为0.1～4小时、烧结压强为20～40MPa。
3.按照权利要求2所述的铪铝碳–石墨复合材料的制备方法，其特征在于：所述加入的Hf粉、Al粉和C粉粒度范围为200～400目。
4.按照权利要求2所述的铪铝碳–石墨复合材料的制备方法，其特征在于：所述烧结的方式为热压烧结或热等静压烧结。
5.按照权利要求2所述的铪铝碳–石墨复合材料的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为氩气、氦气或氖气。
6.按照权利要求2所述的铪铝碳–石墨复合材料的制备方法，其特征在于：所述物理机械方法采用在酒精介质中球磨。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110139956 CN102718486B (zh) | 2011-05-27 | 2011-05-27 | 一种铪铝碳-石墨复合材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110139956 CN102718486B (zh) | 2011-05-27 | 2011-05-27 | 一种铪铝碳-石墨复合材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102718486A CN102718486A (zh) | 2012-10-10 |
| CN102718486B true CN102718486B (zh) | 2013-07-31 |
Family
ID=46944393
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 201110139956 Expired - Fee Related CN102718486B (zh) | 2011-05-27 | 2011-05-27 | 一种铪铝碳-石墨复合材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102718486B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101024576A (zh) * | 2006-02-22 | 2007-08-29 | 中国科学院金属研究所 | 一种原位反应热压制备锆铝碳陶瓷块体材料的方法 |
| CN101531515A (zh) * | 2008-03-12 | 2009-09-16 | 中国科学院金属研究所 | 一种原位反应制备铪铝碳陶瓷材料的方法 |
-
2011
- 2011-05-27 CN CN 201110139956 patent/CN102718486B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101024576A (zh) * | 2006-02-22 | 2007-08-29 | 中国科学院金属研究所 | 一种原位反应热压制备锆铝碳陶瓷块体材料的方法 |
| CN101531515A (zh) * | 2008-03-12 | 2009-09-16 | 中国科学院金属研究所 | 一种原位反应制备铪铝碳陶瓷材料的方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Crystal structure and theoretical elastic property of two new ternary ceramics Hf3Al4C6 and Hf2Al4C5;L.F.He 等;《Scripta Materialia》;20080430;第58卷(第8期);全文 * |
| L.F. He 等.Microstructure and mechanical and thermal properties of ternary carbides in Hf–Al–C system.《Acta Materialia》.2009,第57卷(第9期),2765-2774页. |
| L.F.He 等.Crystal structure and theoretical elastic property of two new ternary ceramics Hf3Al4C6 and Hf2Al4C5.《Scripta Materialia》.2008,第58卷(第8期),679-682页. |
| Microstructure and mechanical and thermal properties of ternary carbides in Hf–Al–C system;L.F. He 等;《Acta Materialia》;20090531;第57卷(第9期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102718486A (zh) | 2012-10-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Barsoum et al. | Processing and characterization of Ti 2 AlC, Ti 2 AlN, and Ti 2 AlC 0.5 N 0.5 | |
| Heydari et al. | Comparing the effects of different sintering methods for ceramics on the physical and mechanical properties of B4C–TiB2 nanocomposites | |
| JPS5924751B2 (ja) | 焼結成形体 | |
| CN102584242B (zh) | 二硼化钛的高温高压制备方法 | |
| CN107285771B (zh) | 一种三元稀土二硼二碳陶瓷材料的制备方法 | |
| CN110590377A (zh) | 一种高β相致密氮化硅陶瓷及低温制备方法 | |
| CN102115332A (zh) | 一种高强度β-SiAlON陶瓷及其无压烧结制备方法 | |
| CN101343183B (zh) | 碳化锆钛颗粒增强硅铝碳化钛锆基复合材料及其制备方法 | |
| CN101824576B (zh) | 一种锆铝硅碳-碳化硅复合材料及其制备方法 | |
| CN101417879B (zh) | 一种原位反应热压合成Nb4AlC3块体陶瓷 | |
| CN101152979A (zh) | 一种原位热压/固液相反应制备Ti2AlN块体材料的方法 | |
| CN109180161B (zh) | 一种高纯钛硅化碳/氧化铝复合材料及其制备方法 | |
| CN109251033A (zh) | 一种微波合成Ti2AlC块体材料的方法 | |
| CN100519478C (zh) | 一种原位反应热压制备锆铝碳陶瓷块体材料的方法 | |
| CN100418923C (zh) | 一种致密Ti2AlC－TiB2复合材料及其制备方法 | |
| CN100422113C (zh) | 一种硅铝碳化钛锆固溶体材料及其制备方法 | |
| CN100519477C (zh) | 一种原位热压/固液相反应制备钽铝碳陶瓷的方法 | |
| CN100429326C (zh) | 一种铝碳二铬块体材料的制备方法 | |
| CN100381396C (zh) | 一种铝碳化钛-碳化钛/氧化铝复合材料及其制备方法 | |
| CN102557644B (zh) | 一种以钛铝碳作为烧结助剂制备二硼化钛陶瓷的方法 | |
| CN101531514A (zh) | 一种原位反应热压制备锆铝硅碳陶瓷块体材料的方法 | |
| CN102992765B (zh) | 一种钨掺杂的钛硅铝碳陶瓷块体材料的制备方法 | |
| JP4362582B2 (ja) | 金属性セラミック焼結体チタンシリコンカーバイドの製造方法 | |
| CN102718486B (zh) | 一种铪铝碳-石墨复合材料及其制备方法 | |
| CN106800413B (zh) | 一种钇铝碳陶瓷材料的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130731 Termination date: 20160527 |