CN107285794A - 一种层状复合表面压应力增韧陶瓷基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种层状复合表面压应力增韧陶瓷基复合材料，陶瓷基复合材料烧结前，在其表面附着一层300~700μm厚的成分不同的陶瓷基复合材料。烧结后，由于组分和弹性模量的不同，在其表面产生残余压应力，由于陶瓷基复合材料裂纹往往产生于表面，而表面压应力能很好地抑制表面裂纹的扩展，从而增加陶瓷基复合材料的韧性，是一种很好的基体增韧方法。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种层状复合表面压应力增韧陶瓷基复合材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。
目前，陶瓷基复合材料大都是通过纤维增强其韧性，本发明中烧结后弥散的四方氧化锆颗粒发生相变转变为密度低的单斜结构，引起表面体积膨胀而获得表面残余压应力，同时，不同层间组分和弹性模量的不同，在层与层间产生残余压应力。
由于陶瓷材料的表面压应力能很好的抑制表面裂纹，从基体利用来说，可以通过陶瓷表面的残余压应力来抑制表面裂纹扩展，进一步增加陶瓷基复合材料的韧性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种层状复合表面压应力增韧型陶瓷基复合材料。
为实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种表面压应力增韧陶瓷基复合材料，其特征在于：通过在成型的陶瓷基复合材料表面附加一层300~700μm的成分不同的陶瓷基复合材料，由于不同层间组分和弹性模量的不同，在层与层间产生残余压应力，进一步增加基体韧性。
该层状复合表面压应力增韧的氧化锆陶瓷基复合材料的制备方法如下：
表面由如下重量份数的组分组成：
氧化铝 34~37
二氧化锆 41~45
碳纤维 18~25
石蜡 12~16
油酸 0.2~1
内部由如下重量份数的组分组成：
氧化铝 3~4
二氧化锆 71~78
碳纤维 18~25
石蜡 12~16
油酸 0.2~1
（1）按配方量，取三氧化二铝、二氧化锆 (YSZ) 配料后进行球磨、混料、粉碎至 300~400 目备用
（2）将配方量的石蜡、油酸加热至 110~130℃至熔化，过 150 目筛
（3）将步骤（1）中备用的内部原料去水，将步骤（2）中过筛的石蜡和油酸加入备用的原料中，混合均匀后采用热压铸在 0.5MP、60～70℃条件下成型，同理将表层材料相同处理后，在压铸好的型体上涂上300~700μm的一层后，再压铸一次，保证层状复合的牢固。
（4）在惰性气体氛围下，升温速率控制在1~2℃/min的烧结工艺，在 1000~1100℃排蜡、1400~1500℃烧成即得~成品。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例1
一种层状复合表面压应力增韧型陶瓷基复合材料，以氧化铝、二氧化锆为基体，以碳纤维为增强体，通过石蜡，油酸粘结后热压成型，再在表面附着一层300~700μm不同的陶瓷基复合材料，然后烧结。
其制备过程如下：
表面由如下重量份数的组分组成：
氧化铝 36
二氧化锆 44
碳纤维 20
石蜡 16
油酸 1
内部由如下重量份数的组分组成：
氧化铝 4
二氧化锆 76
碳纤维 20
石蜡 12
油酸 0.2
（1）按配方量，取三氧化二铝、二氧化锆 (YSZ) 配料后进行球磨、混料、粉碎至 300~400 目备用
（2）将配方量的石蜡、油酸加热至 110~130℃至熔化，过 150 目筛
（3）将步骤（1）中备用的内部原料去水，将步骤（2）中过筛的石蜡和油酸加入备用的原料中，混合均匀后采用热压铸在 0.5MP、60~70℃条件下压成35×6×4mm试样，同理将表层材料相同处理后，在压铸好的试样上涂上300~700μm的一层，通过干压叠层技术，保证层状复合的牢固。
（4）在惰性气体氛围下，升温速率控制在1~2℃/min的烧结工艺，在 1000~1100℃排蜡、1400~1500℃烧成即得~成品。
本实施例中层状复合表面压应力增韧陶瓷基复合材料弯曲强度845MPa；断裂韧性为11MPa·m1/2。
实施例2
一种层状复合表面压应力增韧型陶瓷基复合材料，以氧化铝、二氧化锆为基体，以碳纤维为增强体，通过石蜡，油酸粘结后热压成型，再在表面附着一层300~700μm不同的陶瓷基复合材料，然后烧结。
其制备过程如下：
表面由如下重量份数的组分组成：
氧化铝 35
二氧化锆 43
碳纤维 20
石蜡 16
油酸 1
内部由如下重量份数的组分组成：
氧化铝 3
二氧化锆 77
碳纤维 20
石蜡 12
油酸 0.2
（1）按配方量，取三氧化二铝、二氧化锆 (YSZ) 配料后进行球磨、混料、粉碎至 300~400 目备用
（2）将配方量的石蜡、油酸加热至 110~130℃至熔化，过 150 目筛
（3）将步骤（1）中备用的内部原料去水，将步骤（2）中过筛的石蜡和油酸加入备用的原料中，混合均匀后采用热压铸在 0.5MP、60~70℃条件下压成35×6×4mm试样，同理将表层材料相同处理后，在压铸好的试样上涂上300~700μm的一层，通过干压叠层技术，保证层状复合的牢固。
（4）在惰性气体氛围下，升温速率控制在1~2℃/min的烧结工艺，在 1000~1100℃排蜡、1400~1500℃烧成即得~成品。
本实施例中层状复合表面压应力增韧陶瓷基复合材料弯曲强度846MPa；断裂韧性为10.8MPa·m1/2。
上述仅为本发明的一个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种层状复合表面压应力增韧陶瓷基复合材料，其特征在于：以氧化铝和二氧化锆为基体，以碳纤维为增强体，压制成型后再在表面附着一层300~700μm厚的成分不同的陶瓷基复合材料。
2.根据权利要求1所述，其特征在于在已经压制成型的陶瓷基复合材料表面附着一层300~700μm厚的成分不同的陶瓷基复合材料，通过组分和模量的差异，烧结后在表面产生残余压应力。
3.根据权利要求1所述，其特征在于表面陶瓷基复合材料是由氧化铝、二氧化锆、碳纤维按（34~37）：（41~45）：（18~25）的重量份数比组成。
4.根据权利要求1所述，其特征在于内部陶瓷基复合材料是由氧化铝、二氧化锆、碳纤维按（3~4）：（71~78）：（18~25）的重量份数比组成。
5.根据权利要求1所述，其特征在于层状复合表面压应力增韧的氧化锆陶瓷基复合材料的制备方法如下：
表面由如下重量份数的组分组成：
氧化铝 34~37
二氧化锆 41~45
碳纤维 18~25
石蜡 12~16
油酸 0.2~1
内部由如下重量份数的组分组成：
氧化铝 3~4
二氧化锆 71~78
碳纤维 18~25
石蜡 12~16
油酸 0.2~1
（1）按配方量，取三氧化二铝、二氧化锆 (YSZ) 配料后进行球磨、混料、粉碎至300～400目备用；
（2）将配方量的石蜡、油酸加热至110～130℃至熔化，过150目筛；
（3）将步骤（1）中备用的内部原料去水，将步骤（2）中过筛的石蜡和油酸加入备用的原料中，混合均匀后采用热压铸在 0.5MP、60 ～ 70℃条件下成型，同理将表层材料相同处理后，在压铸好的型体上涂上300~700μm厚的一层后，再压铸一次，保证层状复合的牢固；
（4）在惰性气体氛围下，升温速率控制在1~2℃/min的烧结工艺，在 1000～1100℃排蜡、1500～1700℃烧结2小时即得成品。
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