CN103964852A - 一种高强度陶瓷复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度陶瓷复合材料，所述复合材料按重量百分比由如下组分构成：SiC：20~32%，NbSe2：8~28%，WC：22~32%，SrTiO3：6~12%，SiO2：4.2~8.2%，Al2O3：5.1~6.8%，La2O3：3.8~4.8%，MgO：4.2~5.8%；所述高强度陶瓷复合材料中，SrTiO3弥散分布于SiC和NbSe2颗粒中构成第一主相，SiO2、Al2O3、La2O3以及MgO构成的混合相与WC弥散分布构成第二主相，第一主相和第二主相在整个复合材料中均匀分布。通过上述组成和微观结构的限定使得陶瓷复合材料的强度得到大幅提高。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，特别是涉及一种高强度陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷材料具有密度低、比强度高、耐高温以及高温下化学性质稳定等优点，因而在航空、航天、冶金和石化等领域得到广泛应用。且由于单一材料本身的限制，要满足多种苛刻条件，必须通过材料的复合才能满足多元的需求。因此高强度陶瓷复合材料具有强度和韧性的双重优势。碳化硅陶瓷具有硬度高，耐强温、耐氧化、耐腐蚀，高温强度高，分解温度高，化学稳定性好，抗热震性好，热导率高，热膨胀系数低等优点，在诸多领域有广泛的应用，尤其是碳化硅陶瓷所具有的优良的热力学性能使其在热交换器、蓄热燃烧等对热性能要求较高的场合具有广阔的应用前景。NbSe2具有和MoS2类似的晶体结构和摩擦特性，而电阻率仅为1×10-4Ω· cm，比MoS2低6个数量级，比石墨低1个数量级。NbSe2既有减摩耐磨的作用，又可以提高复合材料的力学性能。
发明内容
本发明的目的之一在于提出一种高强度陶瓷复合材料；
本发明的目的之二在于提出一种高强度陶瓷复合材料的制备方法；
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种高强度陶瓷复合材料，所述高强度陶瓷复合材料按重量百分比由如下组分构成：SiC：20~32%，NbSe2：8~28%，WC：22~32%，SrTiO3：6~12%，SiO2：4.2~8.2%，Al2O3：5.1~6.8%，La2O3：3.8~4.8%，MgO：4.2~5.8%；
所述高强度陶瓷复合材料中SiC相的平均粒径为0.5~0.8μm，NbSe2 相的平均粒径为0.78~1.02μm，WC相的平均粒径为0.2~0.68μm，SrTiO3相的平均粒径为0.5~1.2μm，SiO2相和Al2O3相的平均粒径均为1.1~1.6μm，La2O3相和MgO相的平均粒径均为0.8~1.8μm；
所述高强度陶瓷复合材料中，SrTiO3弥散分布于SiC和NbSe2颗粒中构成第一主相，SiO2、Al2O3、La2O3以及MgO构成的混合相与WC弥散分布构成第二主相，第一主相和第二主相在整个复合材料中均匀分布。
作为优选，所述第一主相的平均粒径为80~120μm，所述第二主相的平均粒径为130~220μm。
作为优选，所述的SrTiO3采用SrO和TiO2煅烧制得。
作为优选，所述高强度陶瓷复合材料按重量百分比由如下组分构成：SiC：26.8%，NbSe2：16%，WC：28%，SrTiO3：9%，SiO2：5.8%，Al2O3：5.9%，La2O3：3.9%，MgO：4.6%；所述高强度陶瓷复合材料中SiC相的平均粒径为0.68μm，NbSe2 相的平均粒径为0.98μm，WC相的平均粒径为0.43μm，SrTiO3相的平均粒径为0.96μm，SiO2相和Al2O3相的平均粒径均为1.42μm，La2O3相和MgO相的平均粒径均为0.92μm。
作为优选，所述第一主相与第二主相的体积比为（6:4）~（8:2）；
高强度陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：
a）按照所需高强度陶瓷复合材料的比例称取各原料；
b）粉碎SrTiO3、SiC和NbSe2颗粒至所需颗粒粒径；
c）混合煅烧SrTiO3、SiC和NbSe2颗粒；
d）热等静压步骤c）得到的煅烧产物，温度为1250~1280℃，压强为200~280MPa；
e）烧结步骤d）得到的热等静压产物；
f）粉碎SiO2、Al2O3、La2O3、MgO与WC颗粒至所需颗粒粒径；
g）混合煅烧SiO2、Al2O3、La2O3、MgO与WC颗粒；
h）热等静压步骤g）得到的煅烧产物，温度为1168~1220℃，压强为180~220MPa；
i）烧结步骤h）得到的热等静压产物；
j）将步骤e）和步骤i）得到的烧结产物进行粉碎和均匀混合，然后进行冷等静压，再进行烧结，得到所述高强度陶瓷复合材料。
作为优选，步骤e）中的烧结温度为1650~1800℃；步骤i）中的烧结温度为1580~1690℃，步骤j）中的烧结温度为1750~1810℃。
作为优选，步骤j）中的冷等静压的压力为158~198MPa，保压2~5min。
本发明的效果在于：
通过合理选取复合材料的主相和增强相的具体组成，使得复合材料的强度得到大幅增强；
通过合理选取符合材料的具体微观结构中的第一主相和第二主相，使得复合材料的断裂韧性得到大幅改善；
通过合理选取具体的第一主相和第二主相的具体组份，使得热导率得到大幅提高。
附图说明
图1为本申请复合材料微观结构示意图。
其中，1，第一主相；2，第二主相；3，第一主相中的各分相；4，第二主相中的各分相。
具体实施方式
实施例1
一种高强度陶瓷复合材料，其特征在于：所述高强度陶瓷复合材料按重量百分比由如下组分构成：SiC：30.1%，NbSe2：12%，WC：28%，SrTiO3：9%，SiO2：6.2%，Al2O3：5. 8%，La2O3：4.1%，MgO：4. 8%；
所述高强度陶瓷复合材料中SiC相的平均粒径为0.62μm，NbSe2 相的平均粒径为0.98μm，WC相的平均粒径为0.42μm，SrTiO3相的平均粒径为0.95μm，SiO2相和Al2O3相的平均粒径均为1.28μm，La2O3相和MgO相的平均粒径均为1.16μm；
所述高强度陶瓷复合材料中，SrTiO3弥散分布于SiC和NbSe2颗粒中构成第一主相，SiO2、Al2O3、La2O3以及MgO构成的混合相与WC弥散分布构成第二主相，第一主相和第二主相在整个复合材料中均匀分布；所述第一主相的平均粒径为108μm，所述第二主相的平均粒径为142μm；所述的SrTiO3采用SrO和TiO2煅烧制得。
该实施例的高强度陶瓷复合材料的热导率为181.08W/（m·K），三点弯曲强度为386.2MPa，断裂韧性为4.69MPa·m1/2。
实施例2：
一种高强度陶瓷复合材料按重量百分比由如下组分构成：SiC：26.8%，NbSe2：16%，WC：28%，SrTiO3：9%，SiO2：5.8%，Al2O3：5.9%，La2O3：3.9%，MgO：4.6%；所述高强度陶瓷复合材料中SiC相的平均粒径为0.66μm，NbSe2 相的平均粒径为0.92μm，WC相的平均粒径为0.43μm，SrTiO3相的平均粒径为0.96μm，SiO2相和Al2O3相的平均粒径均为1.42μm，La2O3相和MgO相的平均粒径均为0.92μm。第一主相的平均粒径为98μm，所述第二主相的平均粒径为198μm。
该实施例的高强度陶瓷复合材料的热导率为189.62W/（m·K），三点弯曲强度为398.2MPa，断裂韧性为5.32MPa·m1/2。
实施例3：
高强度陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：
a）按照SiC：30%，NbSe2：14%，WC：29%，SrTiO3：13%，SiO2：6%，Al2O3：6%，La2O3：4%，MgO：5%的高强度陶瓷复合材料的比例称取各原料；
b）粉碎SrTiO3、SiC和NbSe2颗粒至所需颗粒粒径；
c）混合煅烧SrTiO3、SiC和NbSe2颗粒；
d）热等静压步骤c）得到的煅烧产物，温度为1262℃，压强为212MPa；
e）烧结步骤d）得到的热等静压产物；
f）粉碎SiO2、Al2O3、La2O3、MgO与WC颗粒至所需颗粒粒径；
g）混合煅烧SiO2、Al2O3、La2O3、MgO与WC颗粒；
h）热等静压步骤g）得到的煅烧产物，温度为1208℃℃，压强为196MPa；
i）烧结步骤h）得到的热等静压产物；
j）将步骤e）和步骤i）得到的烧结产物进行粉碎和均匀混合，然后进行冷等静压，再进行烧结，得到所述高强度陶瓷复合材料；步骤e）中的烧结温度为1720℃；步骤i）中的烧结温度为1630℃，步骤j）中的烧结温度为1798℃；步骤j）中的冷等静压的压力为178MPa，保压4min。
该实施例的高强度陶瓷复合材料的热导率为189.18W/（m·K），三点弯曲强度为398.09MPa，断裂韧性为7.32MPa·m1/2。
Claims (7)
1.一种高强度陶瓷复合材料，其特征在于：所述高强度陶瓷复合材料按重量百分比由如下组分构成：SiC：20~32%，NbSe2：8~28%，WC：22~32%，SrTiO3：6~12%，SiO2：4.2~8.2%，Al2O3：5.1~6.8%，La2O3：3.8~4.8%，MgO：4.2~5.8%；
所述高强度陶瓷复合材料中SiC相的平均粒径为0.5~0.8μm，NbSe2 相的平均粒径为0.78~1.02μm，WC相的平均粒径为0.2~0.68μm，SrTiO3相的平均粒径为0.5~1.2μm，SiO2相和Al2O3相的平均粒径均为1.1~1.6μm，La2O3相和MgO相的平均粒径均为0.8~1.8μm；
所述高强度陶瓷复合材料中，SrTiO3弥散分布于SiC和NbSe2颗粒中构成第一主相，SiO2、Al2O3、La2O3以及MgO构成的混合相与WC弥散分布构成第二主相，第一主相和第二主相在整个复合材料中均匀分布。
2.根据权利要求1所述的高强度陶瓷复合材料，其特征在于，所述第一主相的平均粒径为80~120μm，所述第二主相的平均粒径为130~220μm。
3.根据权利要求1所述的高强度陶瓷复合材料，其特征在于，所述的SrTiO3采用SrO和TiO2煅烧制得。
4.根据权利要求1所述的高强度陶瓷复合材料，其特征在于，所述高强度陶瓷复合材料按重量百分比由如下组分构成：SiC：26.8%，NbSe2：16%，WC：28%，SrTiO3：9%，SiO2：5.8%，Al2O3：5.9%，La2O3：3.9%，MgO：4.6%；所述高强度陶瓷复合材料中SiC相的平均粒径为0.68μm，NbSe2 相的平均粒径为0.98μm，WC相的平均粒径为0.43μm，SrTiO3相的平均粒径为0.96μm，SiO2相和Al2O3相的平均粒径均为1.42μm，La2O3相和MgO相的平均粒径均为0.92μm。
5.权利要求1~4任一项所述高强度陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a）按照权利要求1~4任一项所述高强度陶瓷复合材料的比例称取各原料；
b）粉碎SrTiO3、SiC和NbSe2颗粒至所需颗粒粒径；
c）混合煅烧SrTiO3、SiC和NbSe2颗粒；
d）热等静压步骤c）得到的煅烧产物，温度为1250~1280℃，压强为200~280MPa；
e）烧结步骤d）得到的热等静压产物；
f）粉碎SiO2、Al2O3、La2O3、MgO与WC颗粒至所需颗粒粒径；
g）混合煅烧SiO2、Al2O3、La2O3、MgO与WC颗粒；
h）热等静压步骤g）得到的煅烧产物，温度为1168~1220℃，压强为180~220MPa；
i）烧结步骤h）得到的热等静压产物；
j）将步骤e）和步骤i）得到的烧结产物进行粉碎和均匀混合，然后进行冷等静压，再进行烧结，得到所述高强度陶瓷复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤e）中的烧结温度为1650~1800℃；步骤i）中的烧结温度为1580~1690℃，步骤j）中的烧结温度为1750~1810℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤j）中的冷等静压的压力为158~198MPa，保压2~5min。
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