CN103073299A - 一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构陶瓷制备领域，具体涉及一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料及其制备方法。本发明以纯度不低于97%的ZrB₂和SiC粉为原料，以纯度不低于98%的碳球为添加剂，添加剂体积分数为1vol%-10vol%，原料经混料烘干后，通过调节烧结工艺参数，在1800-2000℃之间热压烧结获得高韧性ZrB₂-SiC复相陶瓷材料。所制备的材料的相对密度大于98%，通过热压烧结后圆形碳球在材料晶界上形成弱碳界面层来显著改善材料的韧性，断裂韧性高达5-7MPa·m^1/2。

Description

一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于非氧化物结构陶瓷领域，具体涉及一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料及其制备方法。具体的说是以碳球为添加剂，采用热压烧结在1800-2000℃下获得致密的ZrB₂-SiC复相陶瓷，材料的相对密度大于98%，具有较高的断裂韧性。

背景技术

ZrB₂以其优良的力学性能、相对低的密度、高的熔点和良好的热导率，成为了新型高温结构材料的研究主体。但纯ZrB₂材料具有较差的抗热震性能和高温抗氧化性。经过大量研究证实， SiC的添加能显著改善ZrB₂陶瓷的抗热震性能和高温抗氧化性能，因此ZrB₂-SiC复相材料在超高温陶瓷领域引起了人们很大的关注。由于极强的共价键和较低的自扩散系数，ZrB₂-SiC具有难烧结的特性，一般ZrB₂-SiC需要通过热压烧结，并且在较高的温度下（2000℃）才能实现材料的高致密化。

作为脆性材料，ZrB₂-SiC陶瓷具有较低的断裂韧性，一般为2.5-4 MPa·m^1/2。为了改进ZrB₂-SiC陶瓷的断裂韧性，主要采取了两种方法。第一种方法是引入纤维或者晶须作为增韧相，通过裂纹偏转提高材料断裂韧性。例如，引入SiC晶须作为第二相，ZrB₂-SiC陶瓷断裂韧性达到了5.7MPa·m^1/2（Stefano Guicciardi，Laura Silvestroni，Mats Nygren， Diletta Sciti, “Microstructure and Toughening Mechanisms in Spark Plasma-Sintered ZrB₂ Ceramics Reinforced by SiC Whiskers or SiC-Chopped Fibers” , J. Am. Ceram. Soc., 93 (2010) 2384）。第二种方法是引入添加剂使ZrB₂发育为各向异性晶粒，通过自增韧提高材料断裂韧性。例如，通过引入WC为添加剂使ZrB₂发育为板晶，材料的断裂韧性高达6.5MPa·m^1/2（Ji Zou，Guo-Jun Zhang， Yan-Mei Kan，“Formation of tough interlocking microstructure in ZrB₂-SiC-basedultrahigh-temperature ceramics by pressureless sintering” , J. Mater. Res., 24 (2009) 2428）。以上两种方法主要都是利用具有一定长径比的某一相发挥裂纹偏转的增韧效果。然而，为了发育成一定的长径比，就需要晶粒具有较大的尺寸，例如，SiC晶须长度为5-15μm，板晶ZrB₂的长度为10-30μm。然而，ZrB₂-SiC陶瓷材料的强度主要由材料中最大的晶粒尺寸所决定，晶粒尺寸越大，材料强度越低。以上两种方法在增韧的同时，牺牲了材料的强度。因此，探寻即能提高材料断裂韧性同时又不牺牲强度的新型增韧方法，对热压烧结ZrB₂-SiC复相陶瓷是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷及其制备方法。

本发明提出的一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料，基体中SiC含量为10-30vol%，碳球含量为1-10vol%，其余为ZrB₂，其总体积满足100%。

本发明中，以纯度不低于97%的ZrB₂和SiC粉为原料，以纯度不低于99%的碳球为添加剂，ZrB₂的平均粒径为1.5μm，SiC平均粒径为0.45μm, 碳球的粒径小于0.5μm。

本发明提出的一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料的制备方法，具体步骤如下：

将碳球、二硼化锆和碳化硅放入容器中，以丙酮为溶剂，在辊式混料机上混料22-26h，所得浆料通过旋转蒸发烘干后得到混合均匀的粉料；将混合均匀的粉料放在内壁表面涂覆BN(不粘煤)的石墨模具中，在氩气气氛中进行热压烧结，烧结温度为1800-2000℃，热压的压力为20-30MPa，即得复相陶瓷材料。

本发明中，热压烧结开始时升温速率为5-10℃/min，温度升至1650℃时保温1h，然后升温速率为10-30℃/min，升温至1800-2000℃，20-30MPa的压力下热压烧结0.5-3h。

本发明中，所述复相陶瓷材料的相对密度大于98%，碳球在晶界上形成弱的碳界面来改善材料韧性，断裂韧性高达5-7MPa·m^1/2。

本发明的优点是：

（1） 原料价格便宜，制备工艺简单，容易实现。

（2） 在1800-2000℃即可烧结致密，材料的致密度高。

（3） 圆形碳球在晶界上形成薄的弱碳界面层，显著改善了材料的断裂韧性。

附图说明

图1是施例1制得的二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料断面的SEM照片；

图2是实施例1制得的二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料的裂纹偏转的SEM照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明，但决非限制本发明，本发明也并非仅局限于下述实施例的内容。

实施例1

以ZrB₂粉（1.5μm, >98%），SiC粉（0.45μm, >97%）和碳球（＜0.5μm, >99%）为原料，按照烧碳球体积含量在5%，SiC的体积含量在20%，ZrB₂的体积含量在75%配料，以乙醇为溶剂、Si₃N₄球为球磨介质，在辊式球磨机上混合24小时，所得浆料通过旋转蒸发烘干后得到混合均匀的粉料。

将混合均匀的粉体放在内壁表面涂覆BN的石墨模具中，在进行热压烧结，热压烧结开始时升温速率为10℃/min，温度升至1650°C时保温1h，然后升温速率为15℃/min，升温至2000℃，30MPa的压力下热压烧结1h，即可获得相对密度接近100%的块体材料，断裂韧性高达6.5MPa·m^1/2。

图1为本实施例所制备的二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料断面的SEM照片，由图1可见：材料包含浅灰色二硼化锆相、深灰色碳化硅相和黑色碳相，热压烧结后圆形碳球转变为晶界上的层状碳界面。

图2为断裂韧性测试时形成的裂纹偏转情况，由图2可见：裂纹走向曲折，沿着晶界偏转，因而导致材料具有高的断裂韧性。

实施例2

设计碳球在基体中的体积含量为1%，按照实施例1的方法制备材料，所得到样品的相对密度为98%，断裂韧性为5MPa·m^1/2。

实施例3

设计碳球在基体中的体积含量为5%，按照实施例1的方法制备材料， 改变烧结温度为1900℃，所得到样品的相对密度为99%，断裂韧性为6MPa·m^1/2。

实施例4

设计碳球在基体中的体积含量为10%，按照实施例1的方法制备材料，所得到样品的相对密度大于99%，断裂韧性为7MPa·m^1/2。

实施例5

碳球的体积含量在1％－10%之间，按照实施例1方法制备材料，所得到样品的相对密度均大于98%，断裂韧性在5-7MPa·m^1/2之间。

Claims (5)

1.一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料，其特征在于：基体中SiC含量为10-30vol%，碳球含量为1-10vol%，其余为ZrB₂，其总体积满足100%。

2.根据权利要求1所述的一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料，其特征在于：以纯度不低于97%的ZrB₂和SiC粉为原料，以纯度不低于99%的碳球为添加剂，ZrB₂的平均粒径为1.5μm，SiC平均粒径为0.45μm, 碳球的粒径小于0.5μm。

3.一种如权利要求1所述的一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

将碳球、二硼化锆和碳化硅放入容器中，以丙酮为溶剂，在辊式混料机上混料22-26h，所得浆料通过旋转蒸发烘干后得到混合均匀的粉料；将混合均匀的粉料放在内壁表面涂覆不粘煤的石墨模具中，在氩气气氛中进行热压烧结，烧结温度为1800-2000℃，热压的压力为20-30MPa，即得复相陶瓷材料。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于热压烧结开始时升温速率为5-10℃/min，温度升至1650℃时保温1h，然后升温速率为10-30℃/min，升温至1800-2000℃，20-30MPa的压力下热压烧结0.5-3h。

5.根据权利要求1所述的一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料，其特征在于：所述复相陶瓷材料的相对密度大于98%，圆形碳球在材料的晶界上形成薄的弱碳界面层，断裂韧性高达5-7MPa·m^1/2。

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