CN1884189A

CN1884189A - 纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN1884189A
Application number: CN 200610091975
Authority: CN
Inventors: 王志; 侯宪钦; 史国普
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: Jinan University; University of Jinan
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2026-06-21
Also published as: CN100348537C

Abstract

本发明涉及一种莫来石纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，以及他们的制备方法。复合材料是由以下重量百分比的原料制成：α－Al₂O₃为69％～84.5％，莫来石纤维为10％～20％，TiO₂为0.5％～1％，助溶剂CaO+MgO+SiO₂为5％～10％。本发明的复合材料，其抗弯强度与纯氧化铝陶瓷相比提高2～3倍，断裂韧性提高4～5倍，提高氧化铝陶瓷的力学性能。本发明的制备方法，其制备方法采用传统的无压烧结技术，具有工艺更为简单、生产周期更短、生产成本更低、便于制备大型构件等优点，更便于大规模生产。

Description

纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料及其制备方法

(一)所属技术领域

本发明涉及一种纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，特别涉及一种莫来石纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，以及他们的制备方法。

(二)背景技术

随着科学技术的迅速发展和突飞猛进，对材料性能提出越来越高、越来越严和越来越多的要求。在许多方面，传统的单一材料已经不能满足实际需要。材料的复合化就成为材料发展的必然趋势之一，发展高性能的复合材料已迫在眉睫。

纤维增韧陶瓷基复合材料是以纤维作为增韧体，把纤维增韧陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起而组成的材料的总称。这类复合材料具有高强度、高韧性、优异的热稳定性和化学稳定性，是一类新型结构材料，是陶瓷基复合材料中最有发展前景的一种。因此，近年来，纤维增韧陶瓷基复合材料的发展相当迅速。

用于增韧陶瓷基复合材料的纤维的发展过程为：最初是金属纤维，如：W、Mo、Ta等，它们可以得到较高的断裂韧性(K_IC)和室温强度，但是在高温时易发生氧化；其次是C纤维，它具有较高的强度和弹性模量，但同样易在高温下发生氧化，且与许多陶瓷基体发生化学反应，使其还原；然后是SiC等非氧化物陶瓷纤维，它们具有韧性好、稳定性好等优点，但缺点也是易发生高温氧化，纤维脆性大；此外就是氧化物纤维，最常见的是氧化铝纤维和莫来石纤维，这类纤维温抗氧化性能优良，可应用在1400℃的高温场合，生产过程简单、设备要求不高，不需要惰性气体保护等，与其他高温陶瓷相比，具有高的性价比和很大的商业价值，是近年来备受重视的无机纤维。

此外，由于近年来莫来石纤维实现了较大规模工业化生产，成本大大降低，使莫来石纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料制造成本大大降低，作为工程结构材料成为可能。

近年来，随着科学技术的进步，制备复合材料的方法也越来越多，主要有以下几种：

泥浆浸渍法/热压法是制备纤维增强玻璃和低熔点陶瓷基复合材料的传统方法。但是该方法由于以下不足使其应用范围受到限制：(1)对于三维纤维增强复合材料热压对纤维容易造成损伤；(2)由于热压工艺的局限，难以制得形状复杂的大型构件，因此他只能制备一维或二维的CFCC材料。

化学气相浸渍法(Chemical Vapor Infiltration简称CVI法)是在化学气相沉积(chemical vapor reposition简称CVD)工艺基础上发展起来的专门用于CFCC制造的新工艺。普通CVI工艺一般是利用电阻加热进行基体沉积的，这种一般的加热方式使CVI制备工艺具有以下难以克服的缺点：(1)沉积过程有优先在坯体表面进行的趋势，这就容易引起坯体内纤维间沉积通道的封闭，阻碍CVI的顺利进行；(2)气孔率高，密度不均匀。(3)样品的大小和厚度都受到限制；(4)需时间较长，能耗大，材料制备成本高。

聚合物浸渍裂解法又称先驱体转化法或先驱体裂解法，是近年来发展起来的一种纤维增强陶瓷基复合材料的制备工艺。与溶胶-凝胶相似，先驱体转化法也是利用有机先驱体在高温下裂解而转化为无机陶瓷基体的一种方法。但是由于高温裂解过程中小分子溢出，材料的孔隙率高，很难制备出完全致密的材料；且从有机先驱体转化为无机陶瓷过程中材料积收缩大，收缩产生的内应力不利于提高材料的性能，制备周期长。

熔融金属直接氧化法是制造三维网络结构纤维增强陶瓷基复合材料的有效方法，因是美国Lanxide公司首先提出并开始研究的，因此又称为Lanxide法。由于复合材料中或多或少的会残留有一定量的金属，导致材料的高温抗蠕变性能降低。所制备的材料致密度较低由于复合材料中或多或少的会残留有一定量的金属，导致材料的高温抗蠕变性能降低。所制备的材料致密度较低。

(三)发明内容

本发明为了解决氧化铝陶瓷韧性差的缺点，提高其抗弯强度和断裂韧性，提供了一种纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，具有良好的热力学相容性，使复合材料在断裂时产生纤维拔出和粘脱效应，可大幅度提高氧化铝陶瓷的抗弯强度和断裂韧性，使其在更多的领域得到应用。

本发明的另一目的在于提供上述复合材料的制备方法，该制备方法具有工艺更为简单、生产周期更短、生产成本更低、便于制备大型构件等优点，更便于大规模生产。

本发明是通过以下措施来实现的：

本发明的纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，是由以下重量百分比的原料制成：

α-Al₂O₃为69％～84.5％，

莫来石纤维为10％～20％，

TiO₂为0.5％～1％，

助溶剂CaO+MgO+SiO₂为5％～10％。

上述本发明的纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，所述的α-Al₂O₃粉末为2000～2500目，莫来石纤维的长度为3～7mm。

上述本发明的纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，所述的CaO、MgO、SiO₂分别占助溶剂总重量的百分比为30％、9％、61％。

上述本发明的纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将α-Al₂O₃粉末和助溶剂球磨混合72～90小时，研磨介质为无水乙醇，干燥后过筛备用；

将莫来石纤维剪成3～7mm长，用丙酮对纤维进行表面处理，处理24～48小时后用水洗涤，用磁力搅拌机将其分散，干燥后备用；

将混合后的α-Al₂O₃、助溶剂粉末和处理后的莫来石纤维按一定比例放入球磨罐中，同时加入研磨体和分散剂，研磨体和原料的重量比为2∶1，分散剂和原料的重量比为1∶1，球磨并充分搅拌，球磨2～3小时后，经36～48小时干燥，温度为80～100℃；加入聚乙烯醇进行造粒，焖料24小时，然后采用压制成型法压制成片，成型压力为50～100Mpa；然后将坯体在80～100℃的烘箱内干燥36～48小时，对烘干的试样在传统的无压烧结炉中经1450～1500℃烧结，保温时间为2～3小时。

本发明选用的莫来石纤维具有高温抗氧化性好、高温热学性能稳定，与氧化铝陶瓷基体热力学匹配性好，更重要的是二者界面结合强度适中，复合材料断裂时产生纤维拔出和粘脱，可大幅度提高氧化铝陶瓷的抗弯强度和断裂韧性，使复合材料具有优良的力学性能和热学性能，延长复合材料的使用寿命。因此，该类复合材料的研究与开发对于拓宽氧化铝陶瓷的应用范围以及减少灾难性破坏具有广泛的意义。

同时加入了少量助溶剂，使氧化铝陶瓷能在低温条件下致密烧结，降低纤维和氧化铝之间的界面反应程度，并且提高了抗弯强度和断裂韧性。使其能在1450～1500℃的条件下致密烧结，降低能耗，提高生产效率。

一般纯氧化铝陶瓷的三点弯曲强度为280～330MPa，断裂韧性为2～3MPa^1/2。而本发明用莫来石纤维作为增韧体制成的纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，其抗弯强度与纯氧化铝陶瓷相比提高2～3倍，断裂韧性提高4～5倍，提高氧化铝陶瓷的力学性能。

本发明的制备方法，采用传统的无压烧结技术制备复合材料，性能优异，大大提高氧化铝陶瓷的抗弯强度和断裂韧性，增加了氧化铝陶瓷的韧性。与其他制备纤维增韧陶瓷基复合材料的方法相比，本发明的烧结方法具有工艺更为简单、生产周期更短、生产成本更低、便于制备大型构件等优点，更便于大规模生产。

(四)具体实施方式

实施例1：

称取以下重量百分比的原料，采用下述的制备方法，制备纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，得复合材料1。

2000目α-Al₂O₃为79％，

5mm的莫来石纤维为10％，

TiO₂为1％，

助溶剂CaO+MgO+SiO₂为10％。其中CaO、MgO、SiO₂分别占助溶剂总重量的百分比为30％、9％、61％。

采用以下方法制备：

莫来石纤维用丙酮对纤维进行表面处理，处理24～48小时后用水洗涤，用磁力搅拌机将其分散，干燥后备用；

实施例2

称取以下重量百分比的原料，采用实施例1的制备方法，制备纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，得复合材料2。

2500目α-Al₂O₃为74％，

6mm莫来石纤维为20％，

TiO₂为1％，

助溶剂CaO+MgO+SiO₂为5％。其中CaO、MgO、SiO₂分别占助溶剂总重量的百分比为30％、9％、61％。

实施例3

称取以下重量百分比的原料，采用实施例1的制备方法，制备纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，得复合材料3。

2500目α-Al₂O₃为76％，

4mm莫来石纤维为15％，

TiO₂为1％，

助溶剂CaO+MgO+SiO₂为8％。其中CaO、MgO、SiO₂分别占助溶剂总重量的百分比为30％、9％、61％。

实施例4

称取以下重量百分比的原料，采用实施例1的制备方法，制备纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，得复合材料4。

1600目α-Al₂O₃为83％，

2mm莫来石纤维为10％，

TiO₂为0.5％，

助溶剂CaO+MgO+SiO₂为6.5％。其中CaO、MgO、SiO₂分别占助溶剂总重量的百分比为30％、20％、50％。

实施例5

2500目α-Al₂O₃为70.5％，

4mm莫来石纤维为20％，

TiO₂为0.5％，

助溶剂CaO+MgO+SiO₂为9％。其中CaO、MgO、SiO₂分别占助溶剂总重量的百分比为50％、9％、41％。

按美国ASTM C1161-90-990(先进陶瓷室温下弯曲强度标准试验方法)和ASTM C1421-2001(室温下高级陶瓷断裂韧性测试标准)标准，将上述制备的复合材料进行力学性能测试，具体数值如下表：

	复合材料1	复合材料2	复合材料3	复合材料4	复合材料5
	复合材料1	复合材料2	复合材料3	复合材料4	复合材料5	弯曲强度(MPa)	556.55	610.32	704.52	532.37	596.54
断裂韧性(MPa^1/2)	8.36	9.71	12.04	7.92	10.28	弯曲强度(MPa)	556.55	610.32	704.52	532.37	596.54

Claims

1.一种纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，其特征在于：是由以下重量百分比的原料制成，

α-Al₂O₃为69％～84.5％

莫来石纤维为10％～20％，

TiO₂为0.5％～1％，

助溶剂CaO+MgO+SiO₂为5％～10％。

2.根据权利要求1所述的纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，其特征在于：所述的α-Al₂O₃粉末为2000～2500目，莫来石纤维的长度为3～7mm。

3.根据权利要求1所述的纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料，其特征在于：所述的CaO、MgO、SiO₂分别占助溶剂总重量的百分比为30％、9％、61％。

4.一种权利要求1所述的纤维增韧氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)将α-Al₂O₃粉末和助溶剂球磨混合72～90小时，研磨介质为无水乙醇，干燥后过筛备用；

(2)将莫来石纤维剪成3～7mm长，用丙酮对纤维进行表面处理，处理24～48小时后用水洗涤，用磁力搅拌机将其分散，干燥后备用；

(3)将混合后的α-Al₂O₃、助溶剂粉末和处理后的莫来石纤维按一定比例放入球磨罐中，同时加入研磨体和分散剂，研磨体和原料的重量比为2∶1，分散剂和原料的重量比为1∶1，球磨并充分搅拌，球磨2～3小时后，经36～48小时干燥，温度为80～100℃；加入聚乙烯醇进行造粒，焖料24小时，然后采用压制成型法压制成片，成型压力为50～100Mpa；然后将坯体在80～100℃的烘箱内干燥36～48小时，对烘干的试样在传统的无压烧结炉中经1450～1500℃烧结，保温时间为2～3小时。