CN103833368B - 一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷及其制备方法，具体为利用热压烧结法制备SiB6颗粒增强ZrB2超高温陶瓷的方法以及复合材料抗氧化性能的提高方法，属于高温陶瓷技术领域。本发明制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷具有高熔点、高强度、低模量、良好的抗烧蚀性能以及抗化学腐蚀等优异性能，采用本发明制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷，在1500℃空气环境下失重率仅0.3mg/cm2，高于国内外报道的纯ZrB2超高温陶瓷材料（约13mg/cm2），基本满足一些防热结构件的实际应用；在高超声速飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境中有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷及其制备方法，具体为利用热压烧结法制备SiB6颗粒增强ZrB2超高温陶瓷的方法以及复合材料抗氧化性能的提高方法，属于高温陶瓷技术领域。
背景技术
超高温陶瓷材料是指在高温环境及反应气氛中能够保持物理和化学稳定性的一种特殊陶瓷材料。这类材料主要包括过渡金属硼化物、碳化物以及氮化物，其熔点均超过3000℃。其中，过渡金属硼化物凭借其高的熔点、热物理性能、弹性模量以及优异的化学稳定性，已成为最有优势的高温结构陶瓷材料，在高超声速飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境中有着广泛的应用前景。这些应用不可避免地要在高温和有氧环境下使用，因此高温抗氧化性能成为材料至关重要的性能。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷及其制备方法，该超高温陶瓷具有优异的高温抗氧化性能，该方法工艺过程简单、耗时短。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷，该超高温陶瓷包括硼化锆粉末和六硼化硅粉末；其中硼化锆粉末平均粒径为1～2微米，其纯度≥99%；六硼化硅粉末平均粒径为1～5微米，其纯度≥99%；以超高温陶瓷的总体积为100 份计算，硼化锆粉末的体积份数为70-90份，六硼化硅的体积份数为10-30份。
本发明的一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷的制备方法，该方法将六硼化硅引入到硼化物超高温陶瓷材料体系中，在烧结过程中，六硼化硅与硼化锆分散均匀，六硼化硅较好的高温抗氧化性使得所制备ZrB2材料的抗氧化性大大提升，同时也提高了材料的高温可靠性；该方法的具体步骤为：
1）将六硼化硅粉末与硼化锆粉末混合，放入无水乙醇中分散，分散时采用超声波进行分散，得到混合物；硼化锆粉末与六硼化硅粉末的体积比为70-90：10-30；
2）将步骤1）得到的混合物在行星式球磨机中进行混合，球磨时间为10-30h，为防止硼化锆粉末和六硼化硅粉末在球磨过程中分层，球磨机混料时转速≥200rpm；混好后将得到的浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干，得到混合粉料；
3）研磨：将步骤2）得到的混合粉料用玛瑙研钵反复研磨并过筛；
4）烧结：将步骤3）研磨过筛后的混合粉料于真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为1800～2000℃，烧结压力为20～60MPa，烧结时间为30～120min，自然冷却至室温，得到致密的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料。
将上述方法制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料进行高温氧化、常温力学性能测试，并对其氧化表面和截面形貌进行显微观察。
有益效果
本发明制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷具有高熔点、高强度、低模量、良好的抗烧蚀性能以及抗化学腐蚀等优异性能，采用本发明制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷，在1500℃空气环境下失重率仅0.3mg/cm2，高于国内外报道的纯ZrB2超高温陶瓷材料（约13mg/cm2），基本满足一些防热结构件的实际应用；在高超声速飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境中有着广泛的应 用前景。
附图说明
图1为ZrB2与实施例1制备的ZrB2-SiB6材料1500℃空气中氧化增重率。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅只局限于下面的实施例：
实施例1
一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷，该超高温陶瓷包括硼化锆粉末和六硼化硅粉末；其中硼化锆粉末平均粒径为2微米，其纯度为99.2%；六硼化硅粉末平均粒径为5微米，其纯度为99%；以超高温陶瓷的总体积为100份计算，硼化锆粉末的体积份数为70份，六硼化硅粉末的体积份数为30份。
一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷的制备方法，该方法的具体步骤为：
1）将六硼化硅粉末与硼化锆粉末混合，放入1000g无水乙醇中分散，分散时采用超声波进行分散，得到混合物；
2）将步骤1）得到的混合物在行星式球磨机中进行混合，球磨时间为30h，为防止硼化锆粉末和六硼化硅粉末在球磨过程中分层，球磨机混料时转速为250rpm；混好后将得到的浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干，得到混合粉料；
3）研磨：将步骤2）得到的混合粉料用玛瑙研钵反复研磨并过200目筛；
4）烧结：将步骤3）研磨过筛后的混合粉料于真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为1900℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为60min，自然冷却至室温，得到致密的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料。
将上述方法制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料用扫描电镜进行显微组织观察，可以看出六硼化硅与硼化锆分散均匀，材料表面没有明显的孔洞存在，材料致密度良好。
对上述方法制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料用排水法进行密度测试，可知材料致密性良好，相对密度为98.14%；
对上述方法制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料用高温热失重法进行抗氧化性测试，可知材料在1500℃空气中氧化1h后增重为0.3mg/cm2，如图1所示。
实施例2
一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷，该超高温陶瓷包括硼化锆粉末和六硼化硅粉末；其中硼化锆粉末平均粒径为2微米，其纯度为99.2%；六硼化硅粉末平均粒径为5微米，其纯度为99%；以超高温陶瓷的总体积为100份计算，硼化锆粉末的体积份数为80份，六硼化硅粉末的体积份数为20份。
一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷的制备方法，该方法的具体步骤为：
1）将六硼化硅粉末与硼化锆粉末混合，放入1000g无水乙醇中分散，分散时采用超声波进行分散，得到混合物；
2）将步骤1）得到的混合物在行星式球磨机中进行混合，球磨时间为30h，为防止硼化锆粉末和六硼化硅粉末在球磨过程中分层，球磨机混料时转速为250rpm；混好后将得到的浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干，得到混合粉料；
3）研磨：将步骤2）得到的混合粉料用玛瑙研钵反复研磨并过筛；
4）烧结：将步骤3）研磨过筛后的混合粉料于真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为1900℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为60min，自然冷却至室温，得到致密的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料。
将上述方法制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料用扫描电镜进行显微组织观 察，可以看出六硼化硅与硼化锆分散均匀，材料表面没有明显的孔洞存在，材料致密度良好。
对上述方法制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料用排水法进行密度测试，可知材料致密性良好，相对密度为93.56%；
对上述方法制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料用高温热失重法进行抗氧化性测试，可知材料在1500℃空气中氧化1h后增重为0.41mg/cm2。
实施例3
一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷，该超高温陶瓷包括硼化锆粉末和六硼化硅粉末；其中硼化锆粉末平均粒径为2微米，其纯度为99.2%；六硼化硅粉末平均粒径为5微米，其纯度为99%；以超高温陶瓷的总体积为100份计算，硼化锆粉末的体积份数为90份，六硼化硅粉末的体积份数为10份。
一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷的制备方法，该方法的具体步骤为：
1）将六硼化硅粉末与硼化锆粉末混合，放入1000g无水乙醇中分散，分散时采用超声波进行分散，得到混合物；
2）将步骤1）得到的混合物在行星式球磨机中进行混合，球磨时间为30h，为防止硼化锆粉末和六硼化硅粉末在球磨过程中分层，球磨机混料时转速为250rpm；混好后将得到的浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干，得到混合粉料；
3）研磨：将步骤2）得到的混合粉料用玛瑙研钵反复研磨并过筛；
4）烧结：将步骤3）研磨后的混合粉料于真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为1900℃，烧结压力为30MPa，烧结时间为60min，自然冷却至室温，得到致密的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料。
将上述方法制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料用扫描电镜进行显微组织观察，可以看出六硼化硅与硼化锆分散均匀，材料表面没有明显的孔洞存在，材 料致密度良好；
对上述方法制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料用排水法进行密度测试，可知材料致密性良好，相对密度为97.83%；
对上述方法制备的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料用高温热失重法进行抗氧化性测试，可知材料在1500℃空气中氧化1h后增重为0.18mg/cm2。
Claims (1)
1.一种高温抗氧化ZrB2-SiB6超高温陶瓷的制备方法，其特征在于：该超高温陶瓷包括硼化锆粉末和六硼化硅粉末；以超高温陶瓷的总体积为100份计算，硼化锆粉末的体积份数为70-90份，六硼化硅的体积份数为10-30份；
硼化锆粉末平均粒径为1～2微米，其纯度≥99％；
六硼化硅粉末平均粒径为1～5微米，其纯度≥99％；
该方法的具体步骤为：
1)将六硼化硅粉末与硼化锆粉末混合，放入无水乙醇中分散，得到混合物；硼化锆粉末与六硼化硅粉末的体积比为70-90：10-30；
2)将步骤1)得到的混合物在行星式球磨机中进行混合，球磨时间为10-30h，球磨机混料时转速≥200rpm；混好后将得到的浆料烘干，得到混合粉料；
3)将步骤2)得到的混合粉料研磨并过筛；
4)将步骤3)研磨过筛后的混合粉料于真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为1800～2000℃，烧结压力为20～60MPa，烧结时间为30～120min，自然冷却至室温，得到致密的ZrB2-SiB6超高温陶瓷材料；
步骤1)中分散时采用超声波进行分散。
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