CN1065058A - 晶须增韧强化碳陶瓷复合材料 - Google Patents
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Abstract
一种晶须增韧强化碳陶瓷复合材料，属于陶瓷领
域。本发明的内容是在碳和碳化硅粉末中，加入一定
量的碳化硅晶须，并采用合理的材料配方和工艺，制
备出高强度，韧性大、耐磨、耐高温、抗热震、抗氧化及
导电性能好的碳陶瓷材料，这种材料便于机加工和电
加工，可制作导电引弧喷嘴和焊丝喷嘴及其他高强
度，耐磨、导电的结构部件。
Description
本发明涉及新型碳陶瓷材料的研制，属于陶瓷材料领域。
碳陶瓷是高技术陶瓷材料的一个重要方面，在80年代，日本和西德等国家均开展了碳陶瓷材料的研制。如欧洲专利EP0145496报导了以碳化硅、石墨和碳为主要原料，加入一定量的碳化硼、氧化铝或氧化铍添加剂及聚乙烯醇粘结剂，混合、等静压成型后在1900～2300℃下烧结制成了碳陶瓷材料。由于材料配方和工艺的原因，这种碳陶瓷材料强度和韧性等性能低，满足不了工程可靠性的需要，影响了碳陶瓷材料的应用，因此，研制高强度，韧性大、耐磨、抗热震、抗氧化性及电阻率高的碳陶瓷材料显得非常重要。
本发明的目的是在碳和碳化硅混合基体中，加入碳化硅晶须，并采用合理的材料配方和工艺，制备出高强度、耐磨、耐高温、抗热震、韧性高及抗氧化、导电性好的碳陶瓷材料，这种材料适用于制作各种强度高、耐磨、耐高温、抗热震、抗氧化性及导电好的结构部件。
本发明的内容：在碳和碳化硅粉末中，加入一定量的碳化硅晶须，以提高材料的强度和韧性;加入一定量的碳化硼、碳化钽或碳化钛或氮化钛添加剂，以提高材料的耐磨和抗氧化性及导电性，采用分步混合、热压烧结工艺制成致密的具有高强度、高韧性、耐磨、耐高温、抗热震、抗氧化性及导电性能好的碳陶瓷材料，这种材料便于机加工和电加工，可制作高强度、韧性大、耐磨、耐高温、抗氧化、抗热震，导电性能好的导电引弧喷嘴和焊丝喷嘴等结构部件。
本发明的要点如下：
1.材料配方
在含碳量为重量百分比10～50%的碳和10～50%的碳化硅粉末混合基体中，加入重量百分比为10～50%的碳化硅晶须，碳化硅晶须的直径为0.1～1微米，长度小于5微米，短晶须分布于基体晶粒内起弥散强化作用;而长晶须分布于基体晶粒的晶界起增韧作用，从而提高了材料的强度和韧性。加入重量百分比为5～20%碳化硼及重量百分比为3～10%碳化钽或碳化钛或氮化钛添加剂以提高材料的致密性和耐磨及导电性;由于加入添加剂后在高温下发生了如下化学反应：
因B2O3+SiO2形成的复合薄膜分布于样品表面防止材料进一步氧化，使材料具有高的抗氧化性能及抗热震性能。配方中配比的变化范围见表1。
表.1 原材料配方中配比的变化范围
材料配方 重量百分比 颗粒大小
碳 10～50% 粒度≤6μm
碳化硅 10～50% 粒度≤2μm
碳化硅晶须 10～50% 直径0.1～1μm 长度≤5μm
碳化硼 5～20% 颗度＜2μm
碳化钽或碳化钛 3～10% 颗度＜2μm
2.晶须的处理：碳化硅晶须放到乙醇或其他极性溶剂中，用超声波振荡，使晶须表面光洁并除去晶须中的微粉，这样增加了晶须与基体的相容性和结合能力。
3.工艺：为了使材料致密化，本发明采用分步混合球磨，预压成型在氩气下热压烧结的工艺，即首先将碳、碳化硅、碳化硼、碳化钽或碳化钛或氮化钛与乙醇或其他极性溶剂混合球磨10～20小时，再加入已处理过的碳化硅晶须进行第二步混合球磨，烘干后，在石墨模中进行冷压成型，然后在氩气下热压烧结，热压温度为1950℃～2150℃，压力150～300千克/平方厘米（15～30MPa），烧结时间0.5～1.5小时。
4.本发明具有高强度、高韧性、耐磨、耐高温、抗热震、抗氧化性及导电性能好的特点，便于机加工和电加工，可加工成导电引弧喷嘴和焊丝喷嘴及其他耐磨导电的结构部件。
本发明的优点在于强度高、韧性大、耐磨、耐高温及抗热震、抗氧性及导电性能好。便于机加工及电加工。
材料的性能测试结果见表2。
表2 材料性能测试结果
| 材料密度(g/Cm3) | 硬度(HRA) | 抗弯强度(MPa) | 韧性系数(NPam1/2) | 抗热震性△T(℃) | 抗氧性工作温度上限（℃） | 电阻率（Ω·M) |
| 2.7－3.1 | 84-90 | 250-450 | 4-8 | 600 | 800 | 5×10-5 |
本发明的抗弯强度和韧性均为高强石墨的4～6倍。
表3 给出了本发明与国外同类材料性能的比较
表3 本发明与国外同类材料性能的比较
| 含碳量（重量百分比） | 抗弯强度（MPa) | 韧性系数（Kic)(MPam1/2) | ||
| 本发明 | 国外 | 本发明 | 国外 | |
| 10％20％50％ | 450400260 | 194.16未给出值未给出值 | 4.505.06.0 | 4.182.48未给出值 |
注：国外是指欧洲专利EP0145496报导的数据。
实施例：
例1 把15克的碳化硅晶须放在乙醇中，用超声波振荡1小时，烘干后备用。
分别称5克的碳化硼，3克碳化钽和27克碳粉（焦碳粉），50克碳化硅粉，在盛乙醇玛璃研钵中球磨12小时，再加入上述的碳化硅晶须15克球磨2小时，然后将料烘干，在15～20MPa的压力下于石墨模中成型后，再放于热压炉中，在2050℃在15～30MPa压力下，烧结0.5～1小时，得到的材料抗弯强度为420MPa，韧性系数5MPam1/2。
例2 制备工艺同例1，原材料的配方如下
碳化硅晶须15克，50克碳;5克碳化硼;27克碳化硅;3克的碳化钽。制备出的材料，抗弯强度为250MPa，而韧性为6MPam1/2。
Claims (5)
1、一种晶须增韧强化的碳陶瓷复合材料，其特征在于这种材料以碳和碳化硅粉末为混合基体，加入一定量的碳化硅晶须，又加入一定量的碳化硼、碳化钽或碳化钛或氮化钛的添加剂。
2、按照权利要求1的所述的碳陶瓷复合材料，其特征在于所述的碳和碳化硅粉末的重量百分比均为10～50%，碳化硅晶须重量百分比为10～50%，碳化硼重量百分比为5～20%，碳化钽或碳化钛或氮化钛重量百分比为3～10%。
3、一种以碳和碳化硅粉末为混合基体而制备的碳陶瓷复合材料的方法，其特征在于在碳和碳化硅粉末中加入碳化硅晶须和碳化硼、碳化钽或碳化钛或氮化钛添加剂，制备的步骤：
（1）晶须在极性溶剂中用超声波振荡处理;
（2）碳和碳化硅粉末的混合基体与添加剂碳化硼、碳化钽或碳化钛或氮化钛在极性溶剂中混合球磨，再加入已处理过的碳化硅晶须混合球磨烘干;
（3）上述烘干后的混合体预压成型然后在氩气下进行热压烧结。
4、按权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述的热压温度为1950～2150℃，压力为15～30MPa。
5、一种以碳和碳化硅粉末为混合基体，加入一定量经处理过的晶须和碳化硼、碳化钽或碳化钛或氮化钛添加剂后，经分步混合、预压成型热压烧结制成的增韧强化的碳陶瓷复合材料，其特征在于所述的复合材料可制作导电引弧喷嘴和焊丝喷嘴及其他高强度、高韧性、耐高温、耐磨、抗热震及抗氧化性导电的结构部件。
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