CN104909759A - 一种氧化铝纤维增强硼化锆陶瓷基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化铝纤维增强硼化锆陶瓷基复合材料及其制备方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成：石膏10-13、硼化锆60-80、二氧化硅4-6、改性氧化铝纤维10-14、过氧化环己酮0.02-0.04、丙烯酸羟丙酯4-6、硅藻土3-4、乙烯基三乙氧基硅烷0.3-0.5、木质素磺酸钠1-3、乙醇20-30、去离子水40-50；本发明添加的经过抗氧化处理的氧化铝纤维作为陶瓷的增强相具有增强陶瓷韧性、力学性能、耐磨性、硬度和耐高温的特性，添加的石膏增强了陶瓷的凝结性能、吸水性能和加工性能，添加的硅藻土增强了陶瓷的强度和韧性，提高了陶瓷的硬度和弹性模量等性能。

Description

一种氧化铝纤维增强硼化锆陶瓷基复合材料及其制备方法

技术领域

    本发明涉及一种氧化铝纤维增强硼化锆陶瓷基复合材料及其制备方法，属于陶瓷生产技术领域。

背景技术

硼化锆以其极强的化学键特性而具有高熔点、高模量、高硬度、高热导率和电导率、良好的抗热震性等综合特性，成为超高温陶瓷最具潜力的候选材料，广泛用作各种高温结构及功能材料，但是氧化锆材料熔点较高、烧结困难，并且本身的强度和韧性相对较低，限制了它在严苛作业环境下的应用，为此，采用各种的烧结工艺和添加的其他成分改善氧化锆复合材料的性能是目前的研究热点。

纤维增强陶瓷基体材料中，两者通过复合形成有机整体，当外加负荷作用于复合材料时，基体材料会传递一部分负荷到纤维上，减少陶瓷基体材料本身的负荷，当纤维承受应力大于其本身强度时，纤维会发生断裂，断裂的纤维从基体材料中拔出，从而消耗裂纹扩散能。当裂纹扩展到纤维时，由于内应力的不均匀和界面效应，导致裂纹沿纤维周围表面转向，从而消耗裂纹扩展能，由于裂纹偏转，裂纹扩展路径为锯齿状，增加了裂纹的表面能，起到了增强效果。裂纹在复合材料基体中形成并发生扩展后，其尖端尾部将形成一个由纤维构成的桥联区，产生桥联效应，桥联区的出现将使裂纹在扩展中消耗更多的能量。所以纤维增强陶瓷是改善陶瓷性能的一大有效手段。本发明采用耐高温性能好，绝热性好、热容量小，耐化学腐蚀性能好和与基体的浸润性良好、界面反应较小的氧化铝纤维作为增强相，大大提高了陶瓷的断裂韧性。本发明采用的凝胶注模成型工艺是在浆料中加入高分子有机单体和交联剂使颗粒与颗粒之间粘结牢固，在一定的条件下发生原位聚合反应，形成坚固的交链网状结构，使浆料立即原位凝固，获得高强度的坯体，从而使陶瓷坯体原位成型，大大提高了硼化锆陶瓷烧结性能，提高其在严苛作业环境下的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种氧化铝纤维增强硼化锆陶瓷基复合材料及其制备方法。

为了实现本发明的目的，本发明通过以下方案实施：

一种氧化铝纤维增强硼化锆陶瓷基复合材料及其制备方法，由下列重量份的原料制成：石膏10-13、硼化锆60-80、二氧化硅4-6、改性氧化铝纤维10-14、过氧化环己酮0.02-0.04、丙烯酸羟丙酯4-6、硅藻土3-4、乙烯基三乙氧基硅烷0.3-0.5、木质素磺酸钠1-3、乙醇20-30、去离子水40-50；

所述改性氧化铝纤维的制备方法是：将氧化铝纤维在丙酮中浸泡1-2小时，取出后用蒸馏水冲洗2-3次，烘干备用；将10-15重量份的钛酸四丁酯和150-180重量份的乙醇混合加到带有磁力搅拌器的烧瓶中，将2-3重量份的去离子水、0.2-0.4重量份的盐酸和2-5重量份的乙醇充分混合，缓慢滴加到烧瓶中，再加入2-4重量份的氧化钼粉末，搅拌30-40分钟，将备用的氧化铝纤维加到凝胶中在真空度为0.09-0.1MPa下浸渍1-2小时，取出后于70-80°C下烘干，如此反复操作2-3次，最后在高纯氩气的保护下于500-600°C下高温反应1-2小时即可。

本发明所述一种氧化铝纤维增强硼化锆陶瓷基复合材料及其制备方法，由以下具体步骤制成：

（1）将石膏、硼化锆加到球磨机中，以氧化铝求作为球磨介质，料球比为1:2，再将丙烯酸羟丙酯、过氧化环己酮加到乙醇和去离子水的混合溶液中，溶解后加入硅藻土、木质素磺酸钠和改性氧化铝纤维搅拌均匀后加到球磨机中，球磨20-40分钟；

（2）将球磨得到的浆料抽真空，抽2-5分钟后向浆料中加入乙烯基三乙氧基硅烷继续搅拌均匀，再将浆料注入到叠层玻璃模具中后在真空干燥箱内于60-80°C下干燥1-2小时；

（3）将步骤（2）中的湿坯脱模在室温下自然干燥1-2天，然后在95-100°C温度下，湿度在60-70%的条件下干燥1-2天，将剩余的成分装入等离子喷涂送粉装置在坯体表面喷涂均匀；

（4）将步骤（3）的坯体在室温下以3-5°C/min的速率升温至200°C，再以1-2°C/min的速率升温至600°C，恒温保持1-2小时后放置于真空烧结炉中，在1400-1600°C的温度下烧结3-4小时，即可得到。

本发明的优点是：本发明添加的经过抗氧化处理的氧化铝纤维作为陶瓷的增强相具有增强陶瓷韧性、力学性能、耐磨性、硬度和耐高温的特性，添加的石膏增强了陶瓷的凝结性能、吸水性能和加工性能，添加的硅藻土增强了陶瓷的强度和韧性，提高了陶瓷的硬度和弹性模量等性能。

具体实施方案

下面通过具体实例对本发明进行详细说明。

一种氧化铝纤维增强硼化锆陶瓷基复合材料及其制备方法，由下列重量份（公斤）的原料制成：石膏12、硼化锆76、二氧化硅5、改性氧化铝纤维13、过氧化环己酮0.04、丙烯酸羟丙酯5、硅藻土3、乙烯基三乙氧基硅烷0.4、木质素磺酸钠3、乙醇30、去离子水50；

所述改性氧化铝纤维的制备方法是：将氧化铝纤维在丙酮中浸泡2小时，取出后用蒸馏水冲洗3次，烘干备用；将12重量份的钛酸四丁酯和160重量份的乙醇混合加到带有磁力搅拌器的烧瓶中，将3重量份的去离子水、0.3重量份的盐酸和5重量份的乙醇充分混合，缓慢滴加到烧瓶中，再加入4重量份的氧化钼粉末，搅拌40分钟，将备用的氧化铝纤维加到凝胶中在真空度为0.09MPa下浸渍1小时，取出后于80°C下烘干，如此反复操作3次，最后在高纯氩气的保护下于600°C下高温反应2小时即可。

本法明所述一种氧化铝纤维增强硼化锆陶瓷基复合材料及其制备方法，由以下具体步骤制成：

（1）将石膏、硼化锆加到球磨机中，以氧化铝求作为球磨介质，料球比为1:2，再将丙烯酸羟丙酯、过氧化环己酮加到乙醇和去离子水的混合溶液中，溶解后加入硅藻土、木质素磺酸钠和改性氧化铝纤维搅拌均匀后加到球磨机中，球磨40分钟；

（2）将球磨得到的浆料抽真空，抽5分钟后向浆料中加入乙烯基三乙氧基硅烷继续搅拌均匀，再将浆料注入到叠层玻璃模具中后在真空干燥箱内于80°C下干燥2小时；

（3）将步骤（2）中的湿坯脱模在室温下自然干燥2天，然后在100°C温度下，湿度在65%的条件下干燥2天，将剩余的成分装入等离子喷涂送粉装置在坯体表面喷涂均匀；

（4）将步骤（3）的坯体在室温下以5°C/min的速率升温至200°C，再以1°C/min的速率升温至600°C，恒温保持2小时后放置于真空烧结炉中，在1500°C的温度下烧结4小时，即可得到。

本实施例中陶瓷的性能指标结果如下：

抗压强度（MPa）：≥650；

断裂韧性（Mpa/m^1/2）：≥3.8；

弯曲强度（MPa）：≥420；

热膨胀系数（10^-6/K）：≥8.3；

冲击韧性（KJ·m2）：≥3.6。

Claims (2)

1.一种氧化铝纤维增强硼化锆陶瓷基复合材料及其制备方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成：石膏10-13、硼化锆60-80、二氧化硅4-6、改性氧化铝纤维10-14、过氧化环己酮0.02-0.04、丙烯酸羟丙酯4-6、硅藻土3-4、乙烯基三乙氧基硅烷0.3-0.5、木质素磺酸钠1-3、乙醇20-30、去离子水40-50；

所述改性氧化铝纤维的制备方法是：将氧化铝纤维在丙酮中浸泡1-2小时，取出后用蒸馏水冲洗2-3次，烘干备用；将10-15重量份的钛酸四丁酯和150-180重量份的乙醇混合加到带有磁力搅拌器的烧瓶中，将2-3重量份的去离子水、0.2-0.4重量份的盐酸和2-5重量份的乙醇充分混合，缓慢滴加到烧瓶中，再加入2-4重量份的氧化钼粉末，搅拌30-40分钟，将备用的氧化铝纤维加到凝胶中在真空度为0.09-0.1MPa下浸渍1-2小时，取出后于70-80°C下烘干，如此反复操作2-3次，最后在高纯氩气的保护下于500-600°C下高温反应1-2小时即可。

2.根据权利要求书1所述一种氧化铝纤维增强硼化锆陶瓷基复合材料及其制备方法，其特征在于，由以下具体步骤制成：

（1）将石膏、硼化锆加到球磨机中，以氧化铝求作为球磨介质，料球比为1:2，再将丙烯酸羟丙酯、过氧化环己酮加到乙醇和去离子水的混合溶液中，溶解后加入硅藻土、木质素磺酸钠和改性氧化铝纤维搅拌均匀后加到球磨机中，球磨20-40分钟；

（2）将球磨得到的浆料抽真空，抽2-5分钟后向浆料中加入乙烯基三乙氧基硅烷继续搅拌均匀，再将浆料注入到叠层玻璃模具中后在真空干燥箱内于60-80°C下干燥1-2小时；

（3）将步骤（2）中的湿坯脱模在室温下自然干燥1-2天，然后在95-100°C温度下，湿度在60-70%的条件下干燥1-2天，将剩余的成分装入等离子喷涂送粉装置在坯体表面喷涂均匀；

（4）将步骤（3）的坯体在室温下以3-5°C/min的速率升温至200°C，再以1-2°C/min的速率升温至600°C，恒温保持1-2小时后放置于真空烧结炉中，在1400-1600°C的温度下烧结3-4小时，即可得到。