CN102964139B - 一种晶须和颗粒协同增韧层状陶瓷基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种晶须和颗粒协同增强层状陶瓷基复合材料的制备方法，将晶须和颗粒分散均匀，协同增强层状陶瓷基复合材料。采用化学气相渗透法在薄膜内沉积SiC基体，完成一层(SiC晶须+SiC颗粒)/SiC复合材料的制备。在此基础上流延薄膜，循环上述过程获得(SiC晶须+SiC颗粒)/SiC层状陶瓷基复合材料。与公知的制备层状陶瓷复合材料的方法相比，减少了制备过程中对增强体的损伤，提高复合材料的致密性，化学气相渗透法制备的晶须和颗粒协同增强层状陶瓷基复合材料，拉伸强度达到90-120MPa。

Description

一种晶须和颗粒协同增韧层状陶瓷基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种晶须和颗粒协同增韧层状陶瓷基复合材料的制备方法。

背景技术

碳化硅结构陶瓷在耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度、抗氧化等方面具有优异的性能，在机械、电子、航天航空、能源和冶金等领域获得日益广泛的应用。但是由于陶瓷脆性大和对缺陷敏感，导致其使用可靠性和抗破坏性较差，严重制约了它的实际应用。陶瓷材料的强韧化成为世界各国材料研究者的研究热点。

自然界在长期的进化演变过程中，形成了具有完美结构、组织形态和独特优异性能的生物材料，如贝壳珍珠层、牙齿、木材等，尤其是贝壳珍珠层因杰出的力学性能而备受关注。陶瓷材料的仿生结构设计，使强度与缺陷无关，成为一种耐缺陷材料。层状陶瓷材料主要由高模量和低模量两种陶瓷材料相互层叠而成。其中高模量陶瓷的主要作用是承载而增强，低模量陶瓷主要作用是偏转裂纹而增韧。

陶瓷材料中加入颗粒增韧或晶须增韧，也是一条有效的增韧途径。中国武汉理工大学的顾晓峰等发表在“无机材料学报”2006年第6期p1404-1410的题为“SiC_p-Al复合材料的SPS烧结及热物理性能研究”一文中，对碳化硅增韧铝基复合材料有个详细的介绍，该文涉及对碳化硅体积分数和碳化硅颗粒尺寸对铝基复合材料的影响。中国清华大学的黄勇等发表在“Journal of the European ceramic society”1999年p1903-1909的题为“The Effect of Whisker Orientation in SiC Whisker-reinforced Si₃N₄Ceramic Matrix Composites”一文中，详细研究了碳化硅晶须增韧碳化硅层状复合材料，该文涉及碳化硅晶须定向排布对层状复合材料性能的影响，其中抗弯强度为1038MPa，但未对拉伸强度进行报道。对于碳化硅晶须增韧的技术方案例如：成来飞、张立同、徐永东、刘永胜、李镇、王晓明等发明（设计），中国西北工业大学申请，专利申请号为CN200410026337.6的专利申请案“一种晶须和颗粒增韧陶瓷基复合材料制备方法”；以及，马晓萍等发明（设计），中国浙江科技学院申请，专利申请号为CN201010281554.5的专利申请案“一种协同增韧氧化铝陶瓷及其制备方法”。

在层状陶瓷中加入晶须或颗粒，希望进一步提高其强韧性，但效果都很有限。而且无论何种成型工艺制备的层状坯体，一般都要在空气或保护气氛下进行常压或热压烧结，烧结温度很高，对增强体损伤较大，界面不易控制，不能充分发挥增强体对陶瓷的强韧化贡献。

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，本发明提出一种晶须和颗粒协同增韧层状陶瓷基复合材料的制备方法，克服现有技术中存在的对增强体的损伤和多元界面不可控。

技术方案

一种晶须和颗粒协同增韧层状陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：制备稳定的SiC晶须和SiC颗粒的混合浆料，具体过程是：

（a）以体积分数为20～30%的酒精为溶液，分散SiC晶须与SiC颗粒形成的混合粉料，分散后进行烘干；所述分散是超声30～50分钟，磁力搅拌2～4小时；所述混合粉料中SiC晶须和SiC颗粒体积比为1:1～3:1；

（b）粉体体积分数为30～50%，乙醇为溶剂体积分数为40～60%，磷酸三乙酯为分散剂体积分数为3～4%，球磨5～8h；

（c）在上述浆料中，加入PVB粘结剂体积分数2～3%，丙三醇增塑剂体积分数3～4%，球磨5～9h；

（d）真空除气泡20～40min，制得稳定混合浆料；

步骤2：采用流延法制备晶须和颗粒薄膜，具体过程是：

(a)调整流延机的前刮刀高度为0.2～0.6mm，后刮刀高度为0.4～1.2mm；

（b）将步骤1中制得的混合浆料放入流延机的浆料槽中流延，传送带速度为0.3～0.8m/min，室温干燥、脱模，制得晶须和颗粒薄膜；所述颗粒薄膜厚度为150μm～1000μm，颗粒体积分数控制在10～30%；所述晶须体积百分数控制在30～50%；

步骤3：在步骤2制备的薄膜上采用化学气相渗透法沉积SiC基体，沉积条件为：以三氯甲基硅烷为源物质，以氩气为稀释气体，以氢气为载气，沉积温度为1000～1100℃，沉积时间为80～100h，完成单层SiC晶须和SiC颗粒增强SiC复合材料的制备；所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为10:1；所述三氯甲基硅烷的流量为300～400ml/min；所述氢气的流量为200～350ml/min；

步骤4：以步骤3制备的复合材料为基片，重复步骤2在复合材料的基片上制备晶须和颗粒薄膜，薄膜厚度为150μm～1000μm；

步骤5：在步骤4制备的薄膜上沉积SiC，沉积条件与步骤3相同；

步骤6：多次重复步骤2~步骤5，得到晶须和颗粒协同增韧层状陶瓷基复合材料。

所述步骤6的多次为3～6次。

有益效果

本发明提出的一种晶须和颗粒协同增韧层状陶瓷基复合材料的制备方法，将化学气相渗透结合流延工艺，该方法不仅能减少对增强体的损伤，而且能协同控制材料体系的多元界面。晶须和颗粒分散均匀，充分发挥二元组分协同增强的作用，改善层状复合材料的致密性，提高层状陶瓷基复合材料的强韧性。

本发明的有益效果是：采用晶须和颗粒作为增强体协同增强，化学气相渗透结合流延法制备层状陶瓷基复合材料，减少了制备过程中对增强体的损伤，从而提高了复合材料的强韧性。与公知的制备协同增强复合材料的方法相比，化学气相渗透法制备的晶须和颗粒协同增强层状陶瓷基复合材料，拉伸强度达到90-120MPa。

附图说明

图1是(SiC晶须+SiC颗粒)/SiC层状陶瓷基复合材料示意图；

图2是本发明的工艺流程图；

图3是(SiC晶须+SiC颗粒)/SiC层状陶瓷基复合材料的微观结构特征；

图中：1-碳化硅晶须2-碳化硅颗粒3-(SiC晶须+SiC颗粒)/SiC层状陶瓷基复合材料。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明是采用化学气相渗透法在(SiC晶须+SiC颗粒)薄膜内沉积SiC基体，完成一层(SiC晶须+SiC颗粒)/SiC复合材料的制备。在此基础上流延薄膜，循环上述过程获得(SiC晶须+SiC颗粒)/SiC层状陶瓷基复合材料。通过控制SiC的沉积厚度，使多元界面强弱合理匹配，提高(SiC晶须+SiC颗粒)/SiC层状陶瓷复合材料的强韧性。

实施例1：(1)采用长径比为8～11的SiC晶须和直径为0.5μm SiC颗粒作为增强体，以体积分数为20%酒精作为溶液，超声30分钟，磁力搅拌2小时，烘干；

(2)采用流延法制备(SiC晶须+SiC颗粒)薄膜，薄膜厚度为500μm，晶须体积百分数为40%，颗粒体积分数为13%；

(3)以三氯甲基硅烷(CH₃SiCl₃，MTS)为源物质，氩气为稀释气体（流量300～400ml/min），氢气为载气（流量200～350ml/min），H₂和MTS的摩尔比为10:1，采用化学气相浸渗法在薄膜上沉积SiC基体，沉积温度为1000～1100℃，沉积时间为80～100h；

(4)在(SiC晶须+SiC颗粒)单层复合材料上双侧流延(SiC晶须+SiC颗粒)薄膜，薄膜厚度为500μm，晶须体积百分数为40%，颗粒体积分数为13%；

(5)在薄膜上沉积SiC，沉积时间为80～100h；

(6)重复步骤(2)-(5)，得到三层(SiC晶须+SiC颗粒)/SiC层状陶瓷基复合材料。

本实施例所制备的(SiC晶须+SiC颗粒)/SiC层状陶瓷基复合材料经过英国英斯特朗公司生产的Instron1196电子万能实验机测试，拉伸强度为115MPa。

实施例2：(1)采用长径比为8～11的SiC晶须和直径为0.5μm SiC颗粒作为增强体，以体积分数为20%酒精作为溶液，超声30分钟，磁力搅拌2小时，烘干；

(2)采用流延法制备(SiC晶须+SiC颗粒)薄膜，薄膜厚度为500μm，晶须体积百分数为30%，颗粒体积分数为10%；

(3)以三氯甲基硅烷(CH₃SiCl₃，MTS)为源物质，氩气为稀释气体（流量300～400ml/min），氢气为载气（流量200～350ml/min），H₂和MTS的摩尔比为10:1，采用化学气相浸渗法在薄膜上沉积SiC基体，沉积温度为1000～1100℃，沉积时间为80～100h；

(4)在(SiC晶须+SiC颗粒)单层复合材料上双侧流延(SiC晶须+SiC颗粒)薄膜，薄膜厚度为500μm，晶须体积百分数为30%，颗粒体积分数为10%；

(5)在薄膜上沉积SiC，沉积时间为80～100h；

(6)重复步骤(2)-(5)，得到三层(SiC晶须+SiC颗粒)/SiC层状陶瓷基复合材料。

本实施例所制备的(SiC晶须+SiC颗粒)/SiC层状陶瓷基复合材料经过英国英斯特朗公司生产的Instron1196电子万能实验机测试，拉伸强度为93MPa。

Claims (1)

1.一种晶须和颗粒协同增韧层状陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：制备稳定的SiC晶须和SiC颗粒的混合浆料，具体过程是：

(a)以体积分数为20～30％的酒精为溶液，分散SiC晶须与SiC颗粒形成的混合粉料，分散后进行烘干；所述分散是超声30～50分钟，磁力搅拌2～4小时；所述混合粉料中SiC晶须和SiC颗粒体积比为1:1～3:1；

(b)混合粉料体积分数为30～50％，溶剂乙醇体积分数为40～60％，分散剂磷酸三乙酯体积分数为3～4％，球磨5～8h；

(c)在上述浆料中，加入粘结剂PVB体积分数2～3％，增塑剂丙三醇体积分数3～4％，球磨5～9h；

(d)真空除气泡20～40min，制得稳定混合浆料；

步骤2：采用流延法制备晶须和颗粒混合粉料薄膜，具体过程是：

(a)调整流延机的前刮刀高度为0.2～0.6mm，后刮刀高度为0.4～1.2mm；

(b)将步骤1中制得的混合浆料放入流延机的浆料槽中流延，传送带速度为0.3～0.8m/min，室温干燥、脱模，制得混合粉料薄膜；所述混合粉料薄膜厚度为150μm～1000μm，颗粒体积分数控制在10～30％；所述晶须体积百分数控制在30～50％；

步骤3：在步骤2制备的薄膜上采用化学气相渗透法沉积SiC基体，沉积条件为：以三氯甲基硅烷为源物质，以氩气为稀释气体，以氢气为载气，沉积温度为1000～1100℃，沉积时间为80～100h，完成单层SiC晶须和SiC颗粒增强SiC复合材料的制备；所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为10:1；所述三氯甲基硅烷的流量为300～400ml/min；所述氢气的流量为200～350ml/min；

步骤4：以步骤3制备的复合材料为基片，重复步骤2在复合材料的基片上制备混合粉料薄膜，薄膜厚度为150μm～1000μm；

步骤5：在步骤4制备的薄膜上沉积SiC，沉积条件与步骤3相同；

步骤6：3～6次重复步骤2～步骤5，得到晶须和颗粒协同增韧层状陶瓷基复合材料。