CN111099908B - 一种表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷及其制备方法 - Google Patents

一种表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷及其制备方法。本发明通过对碳纤维表面进行活化处理，再对其表面进行包覆氧化硅，制备得到表面包覆氧化硅的碳纤维，在制备锆酸镧陶瓷过程中加入表面包覆氧化硅的碳纤维以达到提高力学性能的目的。本发明公开的制备方法包括表面包覆氧化硅的碳纤维制备、混合粉末制备、陶瓷素坯高温高压烧结。本发明的制备方法工艺稳定可靠、操作简单，稀土锆酸镧陶瓷的力学强度有明显提高，在一定掺杂范围内有效降低了热导率，使其成为具有可靠力学承载性能的高温隔热材料。

Description

一种表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷 及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体而言，涉及一种表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷制备方法。
背景技术
高温隔热材料是指在高于650℃的高温条件下热稳定性好、导热系数低、具有一定力学强度的隔热材料。由于其特殊的结构赋予了材料特有的保温、隔热、隔声、耐火性能，因而被广泛应用于航空航天、国防军工、冶金、化工和能源等领域。
陶瓷材料具有高熔点、低热导率、耐热腐蚀等优点，是高温隔热的首选材料。8wt％Y2O3稳定的ZrO2陶瓷具有高熔点、低热导率、高热膨胀系数等优良性能是当前最常用的材料。但是，其工作温度上限和较高的高温热导率逐渐不能满足实际应用的要求。大量研究表明，稀土锆酸盐材料因具有特殊晶体结构与性能受到广泛关注，其中La2Zr2O7陶瓷熔点高，抗氧化能力强，具有有序烧绿石和无序萤石两种结构，但由于La3+与Zr4+的半径比较大，La2Zr2O7发生有序-无序相转变时所需要的能量较大，在1600℃前不会发生相变，为单一的焦绿石结构，表现出非常优良的结构热稳定性。而且，锆酸镧的晶体结构可以有效增强声子散射，因此这种材料也具有较低的热导率，有良好的隔热性能。在力学方面，锆酸镧陶瓷材料具有高硬度、高强度、高弹性模量、耐磨损等一系列优良的力学性能。因此，锆酸镧有可能成为新一代最佳高温隔热材料。
为了进一步提升锆酸镧材料的性能，使其成为安全可靠、使用寿命长的高温隔热材料，除了改进制备工艺外，材料配方和结构的优化设计也是一种非常重要的方法。本发明选择表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧陶瓷，一面是基于液相烧结原理，利用SiO2低熔点促进陶瓷致密化，以提高材料强度；另一方面是利用碳纤维作为第二相，实现第二相增强的目的。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷及制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷，其中稀土锆酸镧的化学式为La2Zr2O7，该陶瓷材料中掺杂的表面包覆氧化硅的碳纤维质量百分数为1％～6％；陶瓷材料的压缩强度为360～550MPa，室温热导率为1.60～1.95W/(m·K)。
一种上述表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷的制备方法，它的步骤如下：
1)将碳纤维置于浓硫酸中加热搅拌，完成表面活化后取出，洗涤，干燥，制得表面活化的碳纤维；
2)以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，乙醇和去离子水为溶剂，盐酸为催化剂，将表面活化的碳纤维与正硅酸乙酯、乙醇和去离子水混合均匀后，再加入盐酸得到混合体系，对混合体系进行搅拌反应使碳纤维表面包覆氧化硅；然后对碳纤维进行洗涤，干燥后，置于马弗炉中在450℃条件下热处理2小时，制得表面包覆氧化硅的碳纤维；
3)将摩尔比为1：2的纳米级La2O3和ZrO2粉末置于球磨装置中，然后加入表面包覆氧化硅的碳纤维得到混合粉末，其中混合粉末中表面包覆氧化硅的碳纤维的质量百分数为1％～6％；最后在球磨装置中加入酒精作为介质，充分球磨后，将球磨产物进行干燥和过筛处理后，得到混合均匀的粉末原料；
4)向混合均匀的粉末原料中添加酒精进行造粒，得到造粒粉末，将造粒粉末预制成素坯；将素坯装入石墨烧结模具中，在常温下通过压头向素坯施加起始压强防止加热时跑料，起始压强为25MPa；在保持压力不变的情况下进行升温升压，其中温度升至最高烧结温度1450℃，压强升至最高压强180MPa；在最高烧结温度和最高压强下保温保压20min，然后以10MPa/min速率卸载压力至0MPa，继续在最高烧结温度下保温10min，保温结束后以5℃/min速率降温至常温，得到表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷。
作为优选，所述的步骤1)中，将直径为5-7μm长度为70-100μm的碳纤维放入浓硫酸中，其中碳纤维与浓硫酸的质量比为1：30；在60℃条件下加热搅拌处理1小时；然后进行过滤，用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理3小时，制得表面活化的碳纤维。
作为优选，所述的步骤2)中，混合体系中正硅酸乙酯(TEOS)、去离子水、乙醇和盐酸的摩尔比为1:7:10:0.02，表面活化的碳纤维与TEOS的质量比为1：5。
作为优选，所述的步骤2)中，混合体系的搅拌反应时间为50分钟。
作为优选，所述的步骤2)中，在混合体系中反应使碳纤维表面包覆氧化硅后，对其进行过滤，过滤得到的碳纤维用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理2小时；再把干燥后的碳纤维放入马弗炉中，在450℃条件下热处理2小时，即制得表面包覆氧化硅的碳纤维。
作为优选，所述的步骤3)中，混合粉末在球磨装置中的球磨时间为5小时.
作为优选，所述的步骤3)中，混合粉末在球磨装置中球磨结束后，在80℃的真空干燥箱中充分干燥3小时，过筛处理得到混合均匀的粉末原料。
作为优选，所述的步骤4)中，在造粒时向混合粉末原料中添加质量比为5％的酒精。
作为优选，所述的步骤4)中，温度升至最高烧结温度的过程中，升温速率为10℃/min。
本发明的制备方法以设计出工艺稳定可靠、操作简单、具有良好力学性能和热学性能的高温隔热陶瓷为研究目标，首先对碳纤维表面进行活化处理，再对其表面进行包覆氧化硅，制备得到表面包覆氧化硅的碳纤维，通过高温热压烧结制备出表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷材料。该材料压缩强度为360～550MPa，室温热导率为1.60～1.95W/(m·K)，是一种优良的高温隔热材料。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例，对发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将直径为5-7μm长度为70-100μm的碳纤维放入浓硫酸中混合，其中碳纤维与浓硫酸的质量比为1：30。混合溶液在60℃条件下加热搅拌处理1小时；然后进行过滤，用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理3小时，制得表面活化的碳纤维。
(2)把表面活化的碳纤维放入烧杯中，然后以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，乙醇和去离子水为溶剂，盐酸为催化剂，按照摩尔比1:7:10:0.02量取TEOS、去离子水、乙醇和盐酸；依次将量取的TEOS、乙醇和去离子水加入到烧杯中，置于磁力搅拌器上搅拌，再将量取的盐酸(浓度0.6mol/L)加入烧杯中得到混合体系，搅拌50分钟，使碳纤维表面包覆氧化硅；然后将混合体系进行过滤，对过滤得到的碳纤维用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理2小时；把干燥后的碳纤维放入马弗炉中，在450℃条件下热处理2小时，即制得表面包覆氧化硅的碳纤维。上述混合体系中表面活化的碳纤维与正硅酸乙酯(TEOS)的质量比为1：5。
(3)混合粉末原料的制备：以La2O3:ZrO2摩尔比为1：2称量纳米级La2O3和ZrO2粉末，然后放入球磨装置中；然后加入表面包覆氧化硅的碳纤维得到混合粉末，其中混合粉末中表面包覆氧化硅的碳纤维的质量百分数为1.5％；最后将混合粉末在球磨装置中以酒精为介质充分球磨5小时，然后在80℃的真空干燥箱中充分干燥3小时，过筛处理得到混合均匀的粉末原料。
(4)向混合粉末原料中添加质量比为5％的酒精进行造粒，得到造粒粉末，将造粒粉末预制成素坯；将素坯装入石墨烧结模具中，在常温下通过压头向素坯施加起始压强防止加热时跑料，起始压强为25MPa；在保持压力不变的情况下进行升温升压，其中温度以10℃/min升温速率升至最高烧结温度1450℃，压强升至最高压强180MPa；在最高烧结温度和最高压强下保温保压20min，然后以10MPa/min速率卸载压力至0MPa，继续在最高烧结温度下保温10min，保温结束后以5℃/min速率降温至常温，即可制备得到表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷。该材料压缩强度为360MPa，室温热导率为1.95W/(m·K)，是一种优良的高温隔热材料。
实施例2
(1)将直径为5-7μm长度为70-100μm的碳纤维放入浓硫酸中混合，其中碳纤维与浓硫酸的质量比为1：30。混合溶液在60℃条件下加热搅拌处理1小时；然后进行过滤，用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理3小时，制得表面活化的碳纤维。
(2)把表面活化的碳纤维放入烧杯中，然后以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，乙醇和去离子水为溶剂，盐酸为催化剂，按照摩尔比1:7:10:0.02量取TEOS、去离子水、乙醇和盐酸；依次将量取的TEOS、乙醇和去离子水加入到烧杯中，置于磁力搅拌器上搅拌，再将量取的盐酸(浓度0.6mol/L)加入烧杯中得到混合体系，搅拌50分钟使碳纤维表面包覆氧化硅；然后将混合体系进行过滤，对过滤得到的碳纤维用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理2小时；把干燥后的碳纤维放入马弗炉中，在450℃条件下热处理2小时，即制得表面包覆氧化硅的碳纤维。上述混合体系中表面活化的碳纤维与正硅酸乙酯(TEOS)的质量比为1：5。
(3)混合粉末原料的制备：以La2O3:ZrO2摩尔比为1：2称量纳米级La2O3和ZrO2粉末，然后放入球磨装置中；然后加入表面包覆氧化硅的碳纤维得到混合粉末，其中混合粉末中表面包覆氧化硅的碳纤维的质量百分数为2.5％；最后将混合粉末在球磨装置中以酒精为介质充分球磨5小时，然后在80℃的真空干燥箱中充分干燥3小时，过筛处理得到混合均匀的粉末原料。
(4)向混合粉末原料中添加质量比为5％的酒精进行造粒，得到造粒粉末，将造粒粉末预制成素坯；将素坯装入石墨烧结模具中，在常温下通过压头向素坯施加起始压强防止加热时跑料，起始压强为25MPa；在保持压力不变的情况下进行升温升压，其中温度以10℃/min升温速率升至最高烧结温度1450℃，压强升至最高压强180MPa；在最高烧结温度和最高压强下保温保压20min，然后以10MPa/min速率卸载压力至0MPa，继续在最高烧结温度下保温10min，保温结束后以5℃/min速率降温至常温，即可制备得到表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷。该材料压缩强度为480MPa，室温热导率为1.75W/(m·K)，是一种优良的高温隔热材料。
实施例3
(1)将直径为5-7μm长度为70-100μm的碳纤维放入浓硫酸中混合，其中碳纤维与浓硫酸的质量比为1：30。混合溶液在60℃条件下加热搅拌处理1小时；然后进行过滤，用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理3小时，制得表面活化的碳纤维。
(2)把表面活化的碳纤维放入烧杯中，然后以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，乙醇和去离子水为溶剂，盐酸为催化剂，按照摩尔比1:7:10:0.02量取TEOS、去离子水、乙醇和盐酸；依次将量取的TEOS、乙醇和部分去离子水加入到烧杯中，置于磁力搅拌器上搅拌，再将量取的盐酸(浓度0.6mol/L)加入烧杯中得到混合体系，搅拌50分钟使碳纤维表面包覆氧化硅；然后将混合体系进行过滤，对过滤得到的碳纤维用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理2小时；把干燥后的碳纤维放入马弗炉中，在450℃条件下热处理2小时，即制得表面包覆氧化硅的碳纤维。上述混合体系中表面活化的碳纤维与正硅酸乙酯(TEOS)的质量比为1：5。
(3)混合粉末原料的制备：以La2O3:ZrO2摩尔比为1：2称量纳米级La2O3和ZrO2粉末，然后放入球磨装置中；然后加入表面包覆氧化硅的碳纤维得到混合粉末，其中混合粉末中表面包覆氧化硅的碳纤维的质量百分数为3.5％；最后将混合粉末在球磨装置中以酒精为介质充分球磨5小时，然后在80℃的真空干燥箱中充分干燥3小时，过筛处理得到混合均匀的粉末原料。
(4)向混合粉末原料中添加质量比为5％的酒精进行造粒，得到造粒粉末，将造粒粉末预制成素坯；将素坯装入石墨烧结模具中，在常温下通过压头向素坯施加起始压强防止加热时跑料，起始压强为25MPa；在保持压力不变的情况下进行升温升压，其中温度以10℃/min升温速率升至最高烧结温度1450℃，压强升至最高压强180MPa；在最高烧结温度和最高压强下保温保压20min，然后以10MPa/min速率卸载压力至0MPa，继续在最高烧结温度下保温10min，保温结束后以5℃/min速率降温至常温，即可制备得到表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷。该材料压缩强度为550MPa，室温热导率为1.60W/(m·K)，是一种优良的高温隔热材料。
实施例4
(1)将直径为5-7μm长度为70-100μm的碳纤维放入浓硫酸中混合，其中碳纤维与浓硫酸的质量比为1：30。混合溶液在60℃条件下加热搅拌处理1小时；然后进行过滤，用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理3小时，制得表面活化的碳纤维。
(2)把表面活化的碳纤维放入烧杯中，然后以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，乙醇和去离子水为溶剂，盐酸为催化剂，按照摩尔比1:7:10:0.02量取TEOS、去离子水、乙醇和盐酸；依次将量取的TEOS、乙醇和去离子水加入到烧杯中，置于磁力搅拌器上搅拌，再将量取的盐酸(浓度0.6mol/L)加入烧杯中得到混合体系，搅拌50分钟使碳纤维表面包覆氧化硅；然后将混合体系进行过滤，对过滤得到的碳纤维用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理2小时；把干燥后的碳纤维放入马弗炉中，在450℃条件下热处理2小时，即制得表面包覆氧化硅的碳纤维。上述混合体系中表面活化的碳纤维与正硅酸乙酯(TEOS)的质量比为1：5。
(3)混合粉末原料的制备：以La2O3:ZrO2摩尔比为1：2称量纳米级La2O3和ZrO2粉末，然后放入球磨装置中；然后加入表面包覆氧化硅的碳纤维得到混合粉末，其中混合粉末中表面包覆氧化硅的碳纤维的质量百分数为4.5％；最后将混合粉末在球磨装置中以酒精为介质充分球磨5小时，然后在80℃的真空干燥箱中充分干燥3小时，过筛处理得到混合均匀的粉末原料。
(4)向混合粉末原料中添加质量比为5％的酒精进行造粒，得到造粒粉末，将造粒粉末预制成素坯；将素坯装入石墨烧结模具中，在常温下通过压头向素坯施加起始压强防止加热时跑料，起始压强为25MPa；在保持压力不变的情况下进行升温升压，其中温度以10℃/min升温速率升至最高烧结温度1450℃，压强升至最高压强180MPa；在最高烧结温度和最高压强下保温保压20min，然后以10MPa/min速率卸载压力至0MPa，继续在最高烧结温度下保温10min，保温结束后以5℃/min速率降温至常温，即可制备得到表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷。该材料压缩强度为510MPa，室温热导率为1.72W/(m·K)，是一种优良的高温隔热材料。
实施例5
(1)将直径为5-7μm长度为70-100μm的碳纤维放入浓硫酸中混合，其中碳纤维与浓硫酸的质量比为1：30。混合溶液在60℃条件下加热搅拌处理1小时；然后进行过滤，用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理3小时，制得表面活化的碳纤维。
(2)把表面活化的碳纤维放入烧杯中，然后以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，乙醇和去离子水为溶剂，盐酸为催化剂，按照摩尔比1:7:10:0.02量取TEOS、去离子水、乙醇和盐酸；依次将量取的TEOS、乙醇和去离子水加入到烧杯中，置于磁力搅拌器上搅拌；将量取的盐酸(浓度0.6mol/L)加入烧杯中得到混合体系，搅拌50分钟使碳纤维表面包覆氧化硅；然后将混合体系进行过滤，对过滤得到的碳纤维用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理2小时；把干燥后的碳纤维放入马弗炉中，在450℃条件下热处理2小时，即制得表面包覆氧化硅的碳纤维。上述混合体系中表面活化的碳纤维与正硅酸乙酯(TEOS)的质量比为1：5。
(3)混合粉末原料的制备：以La2O3:ZrO2摩尔比为1：2称量纳米级La2O3和ZrO2粉末，然后放入球磨装置中；然后加入表面包覆氧化硅的碳纤维得到混合粉末，其中混合粉末中表面包覆氧化硅的碳纤维的质量百分数为6.0％；最后将混合粉末在球磨装置中以酒精为介质充分球磨5小时，然后在80℃的真空干燥箱中充分干燥3小时，过筛处理得到混合均匀的粉末原料。
(4)向混合粉末原料中添加质量比为5％的酒精进行造粒，得到造粒粉末，将造粒粉末预制成素坯；将素坯装入石墨烧结模具中，在常温下通过压头向素坯施加起始压强防止加热时跑料，起始压强为25MPa；在保持压力不变的情况下进行升温升压，其中温度以10℃/min升温速率升至最高烧结温度1450℃，压强升至最高压强180MPa；在最高烧结温度和最高压强下保温保压20min，然后以10MPa/min速率卸载压力至0MPa，继续在最高烧结温度下保温10min，保温结束后以5℃/min速率降温至常温，即可制备得到表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷。该材料压缩强度为450MPa，室温热导率为1.83W/(m·K)，是一种优良的高温隔热材料。
对比例
(1)以La2O3:ZrO2摩尔比为1：2称量纳米级La2O3和ZrO2粉末，然后放入球磨装置中；最后在球磨装置中以酒精为介质充分球磨5小时，然后在80℃的真空干燥箱中充分干燥3小时，过筛处理得到混合均匀的粉末原料。
(2)向以La2O3:ZrO2摩尔比为1：2称量纳米级La2O3和ZrO2粉末原料中添加质量比为5％的酒精进行造粒，得到造粒粉末，将造粒粉末预制成素坯，将素坯装入石墨烧结模具中，在常温下通过压头向素坯施加起始压强防止加热时跑料，起始压强为25MPa，在保持压力不变的情况下进行升温升压，其中温度以10℃/min升温速率升至最高烧结温度1450℃，压强升至最高压强180MPa；在最高烧结温度和最高压强下保温保压20min，然后以10MPa/min速率卸载压力至0MPa，继续在最高烧结温度下保温10min，保温结束后以5℃/min速率降温至常温，即可制备得到未掺杂表面包覆氧化硅的碳纤维的稀土锆酸镧陶瓷。该材料压缩强度为310MPa，室温热导率为2.50W/(m·K)。
下表展示了上述实施例1～5以及对比例中制备的陶瓷性能。
表1不同含量的表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧陶瓷性能
碳纤维含量(％) 压缩强度(MPa) 室温热导率(W/(m·K))
实施例1 1.5 360 1.95
实施例2 2.5 480 1.75
实施例3 3.5 550 1.60
实施例4 4.5 510 1.72
实施例5 6.0 450 1.83
对比例 0 310 2.50
结果表明，本发明中在陶瓷中加入表面包覆氧化硅的碳纤维，能够相对于没有加入碳纤维的陶瓷大大提高整体的压缩强度和室温热导率，由此可见，本发明选择表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧陶瓷，一面是基于液相烧结原理，利用SiO2低熔点促进陶瓷致密化，能够大大提高材料强度；另一方面是利用碳纤维作为第二相，实现了第二相增强的目的。因此本发明的稀土锆酸镧陶瓷的力学强度有明显提高，在一定掺杂范围内有效降低了热导率，使其成为具有可靠力学承载性能的高温隔热材料。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷，其特征在于，稀土锆酸镧的化学式为La2Zr2O7，该陶瓷材料中掺杂的表面包覆氧化硅的碳纤维质量百分数为1%~6%；陶瓷材料的压缩强度为360~550MPa，室温热导率为1.60~1.95W/(m·K)；
所述的表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷的制备方法，它的步骤如下：
1） 将碳纤维置于浓硫酸中加热搅拌，完成表面活化后取出，洗涤，干燥，制得表面活化的碳纤维；
2）以正硅酸乙酯TEOS为硅源，乙醇和去离子水为溶剂，盐酸为催化剂，将表面活化的碳纤维与正硅酸乙酯、乙醇和去离子水混合均匀后，再加入盐酸得到混合体系，对混合体系进行搅拌反应使碳纤维表面包覆氧化硅；然后对碳纤维进行洗涤，干燥后，置于马弗炉中在450℃条件下热处理2小时，制得表面包覆氧化硅的碳纤维；
3）将摩尔比为1：2的纳米级La2O3和ZrO2粉末置于球磨装置中，然后加入表面包覆氧化硅的碳纤维得到混合粉末，其中混合粉末中表面包覆氧化硅的碳纤维的质量百分数为1%~6%；最后在球磨装置中加入酒精作为介质，充分球磨后，将球磨产物进行干燥和过筛处理后，得到混合均匀的粉末原料；
4） 向混合均匀的粉末原料中添加酒精进行造粒，得到造粒粉末，将造粒粉末预制成素坯；将素坯装入石墨烧结模具中，在常温下通过压头向素坯施加起始压强防止加热时跑料，起始压强为25MPa；在保持压力不变的情况下进行升温升压，其中温度升至最高烧结温度1450℃，压强升至最高压强180MPa；在最高烧结温度和最高压强下保温保压20min，然后以10MPa/min速率卸载压力至0MPa，继续在最高烧结温度下保温10min，保温结束后以5℃/min速率降温至常温，得到表面包覆氧化硅的碳纤维复合稀土锆酸镧的高性能陶瓷。
2.如权利要求1所述的高性能陶瓷，其特征在于，所述的步骤1）中，将直径为5-7μm长度为70-100μm的碳纤维放入浓硫酸中，其中碳纤维与浓硫酸的质量比为1：30；在60℃条件下加热搅拌处理1小时；然后进行过滤，用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理3小时，制得表面活化的碳纤维。
3.如权利要求1所述的高性能陶瓷，其特征在于，所述的步骤2）中，混合体系中正硅酸乙酯TEOS、去离子水、乙醇和盐酸的摩尔比为1:7:10:0.02，表面活化的碳纤维与TEOS的质量比为1：5。
4.如权利要求1所述的高性能陶瓷，其特征在于，所述的步骤2）中，混合体系的搅拌反应时间为50分钟。
5.如权利要求1所述的高性能陶瓷，其特征在于，所述的步骤2）中，在混合体系中反应使碳纤维表面包覆氧化硅后，对其进行过滤，过滤得到的碳纤维用蒸馏水洗涤3次，再放入80℃的真空干燥箱中干燥处理2小时；再把干燥后的碳纤维放入马弗炉中，在450℃条件下热处理2小时，即制得表面包覆氧化硅的碳纤维。
6.如权利要求1所述的高性能陶瓷，其特征在于，所述的步骤3）中，混合粉末在球磨装置中的球磨时间为5小时。
7.如权利要求1所述的高性能陶瓷，其特征在于，所述的步骤3）中，混合粉末在球磨装置中球磨结束后，在80℃的真空干燥箱中充分干燥3小时，过筛处理得到混合均匀的粉末原料。
8.如权利要求1所述的高性能陶瓷，其特征在于，所述的步骤4）中，在造粒时向混合粉末原料中添加质量比为5%的酒精。
9.如权利要求1所述的高性能陶瓷，其特征在于，所述的步骤4）中，温度升至最高烧结温度的过程中，升温速率为10℃/min。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116239367B (zh) * 2022-12-28 2024-01-09 湖南聚能陶瓷材料有限公司 一种高导热氧化铝陶瓷材料及陶瓷电路基板

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103693962A (zh) * 2013-12-26 2014-04-02 浙江大学 一种SiO2掺杂改性的La2Zr2O7陶瓷及其制备方法
CN103746099A (zh) * 2014-01-17 2014-04-23 江苏华盛精化工股份有限公司 一种二氧化锡包裹的碳纤维材料的制备方法、产品及应用
CN103803972A (zh) * 2013-12-26 2014-05-21 浙江大学 一种大尺寸块体La2Zr2O7陶瓷材料及其热压烧结制备工艺
CN103864451A (zh) * 2014-03-26 2014-06-18 西北工业大学 可重复烧蚀使用的碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法
CN104557054A (zh) * 2014-12-12 2015-04-29 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种三维交叠层状复合陶瓷涂层及其制备方法
CN105483597A (zh) * 2016-02-16 2016-04-13 哈尔滨工程大学 一种锆酸镧纤维掺杂锆酸镧的热障涂层的制备方法
KR20160121144A (ko) * 2015-04-10 2016-10-19 한국세라믹기술원 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법
CN106299375A (zh) * 2016-09-30 2017-01-04 江苏长园华盛新能源材料有限公司 一种硅包覆的碳纤维复合材料及其制备方法和应用
CN106747487A (zh) * 2016-06-12 2017-05-31 北京航空航天大学 耐温1800℃热结构复合材料的制备方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103693962A (zh) * 2013-12-26 2014-04-02 浙江大学 一种SiO2掺杂改性的La2Zr2O7陶瓷及其制备方法
CN103803972A (zh) * 2013-12-26 2014-05-21 浙江大学 一种大尺寸块体La2Zr2O7陶瓷材料及其热压烧结制备工艺
CN103746099A (zh) * 2014-01-17 2014-04-23 江苏华盛精化工股份有限公司 一种二氧化锡包裹的碳纤维材料的制备方法、产品及应用
CN103864451A (zh) * 2014-03-26 2014-06-18 西北工业大学 可重复烧蚀使用的碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法
CN104557054A (zh) * 2014-12-12 2015-04-29 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 一种三维交叠层状复合陶瓷涂层及其制备方法
KR20160121144A (ko) * 2015-04-10 2016-10-19 한국세라믹기술원 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법
CN105483597A (zh) * 2016-02-16 2016-04-13 哈尔滨工程大学 一种锆酸镧纤维掺杂锆酸镧的热障涂层的制备方法
CN106747487A (zh) * 2016-06-12 2017-05-31 北京航空航天大学 耐温1800℃热结构复合材料的制备方法
CN106299375A (zh) * 2016-09-30 2017-01-04 江苏长园华盛新能源材料有限公司 一种硅包覆的碳纤维复合材料及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
包覆型陶瓷粉体的研究进展;张巨先等;《硅酸盐通报》;20000428(第2期);第53页 *
碳纤维二氧化硅涂层新工艺的研究;彭和宜;《热加工工艺》;19910331(第3期);摘要，前言部分，第二部分第1-2节 *

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