CN101948326A - 一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料及其制备方法，它涉及一种超高温陶瓷复合材料及其制备方法。它解决现有ZrC基超高温陶瓷致密度和烧结性能低、强度和韧性低、抗氧化性能差的缺点。制备方法：一、将SiC晶须经超声波进行分散；二、将分散均匀的SiC晶须与ZrC粉末混合后进行球磨；三、采用旋转蒸发器将球磨混合均匀的浆料进行烘干；四、将经烘干处理后所得的混合粉装入石墨模具中，采用真空热压炉，在氩气保护下进行热压烧结。得到了致密度≥95％理论密度的超高温陶瓷复合材料，且颗粒细小、分布均匀，弯曲强度300～600MPa，断裂韧性2～6MPa·m^1/2。该材料可作为固体火箭发动机的喷管、燃气舵、端头帽等部件，也可以作为超高速飞行器的鼻锥、端头、翼前缘等耐高温结构件等。

Description

一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种超高温陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

ZrC基超高温陶瓷，与硼化物陶瓷相近，是在2000℃以上可用材料的典型代表，具有较高的熔点、较好的化学稳定性、较高的弹性模量、优良的导电性、较高的硬度、良好的导热性等优异的性能，特别适合于作固体火箭发动机的喷管喉衬、燃气舵、端头帽等部件，也可以作为超高速飞行器的鼻锥、端头、翼前缘等耐高温结构元件等。但单相ZrC陶瓷具有致密度和烧结性能低、强度和韧性低、抗氧化性能差等缺点。为了弥补单一相陶瓷材料的这些缺陷，采用添加增SiC晶须来提高基体的韧性，以制得综合性能优良的陶瓷材料。

发明内容

发明目的是为了解决现有ZrC基超高温陶瓷致密度和烧结性能低、强度和韧性低、抗氧化性能差的缺点，改善单相ZrC陶瓷烧结致密困难以及陶瓷本征脆性等问题而提供了一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料及其制备方法。

本发明提供的一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料由SiC晶须和ZrC基体组成；SiC晶须作为增强相存在于ZrC基体中，SiC晶须的体积百分含量为5～20％，ZrC基体的体积百分含量为80～95％。

本发明提供的一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料的制备方法可以按以下步骤实现：一、将SiC晶须经超声波进行分散；二、将分散均匀的SiC晶须与ZrC粉末混合后进行球磨，SiC晶须与ZrC粉末的体积百分比分别为5～20％∶80～95％；三、采用旋转蒸发器将步骤二中球磨混合均匀的浆料进行烘干；四、将经烘干处理后所得的混合粉装入石墨模具中，采用真空热压炉，在氩气保护下进行热压烧结。其中步骤一中SiC晶须的纯度≥99.5％，直径为0.1～1.0μm，长度为50～200μm；步骤二中ZrC粉末的纯度≥99％，粒径为3～5μm。

本发明通过在ZrC基体中添加SiC晶须制备ZrC基超高温陶瓷复合材料，改善了单相ZrC陶瓷材料的烧结性能；致密度≥95％，比ZrC单相陶瓷的致密度有所提高；断裂韧性良好，达到2～6MPa·m^1/2；弯曲强度较大，达到300～600MPa；抗氧化性能好，耐烧蚀性能优异且颗粒细小、分布均匀。

附图说明

图1是具体实施方式十二制备的ZrC-SiC超高温陶瓷复合材料热压坯；

图2(a)是具体实施方式十三制备的SiC晶须体积百分含量为5％的ZrC-SiC超高温陶瓷复合材料热压坯表面的扫描电镜图；

图2(b)是具体实施方式十三制备的SiC晶须体积百分含量为20％的ZrC-SiC超高温陶瓷复合材料热压坯表面的扫描电镜图；

图3(a)是具体实施方式十三制备的SiC晶须体积百分含量为5％的ZrC-SiC超高温陶瓷复合材料热压坯断口的扫描电镜图；

图3(b)是具体实施方式十三制备的SiC晶须体积百分含量为20％的ZrC-SiC超高温陶瓷复合材料热压坯断口的扫描电镜图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料由SiC晶须和ZrC基体组成；SiC晶须作为增强相存在于ZrC基体中，SiC晶须的体积百分含量为5～20％，ZrC基体的体积百分含量为80～95％。

具体实施方式二：本实施方式一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料的制备方法按以下步骤实现：一、将SiC晶须经超声波进行分散；二、将分散均匀的SiC晶须与ZrC粉末混合后进行球磨，SiC晶须与ZrC粉末的体积百分比分别为5～20％∶80～95％；三、采用旋转蒸发器将步骤二中球磨混合均匀的浆料进行烘干；四、将经烘干处理后所得的混合粉装入石墨模具中，采用真空热压炉，在氩气保护下进行热压烧结。其中步骤一中SiC晶须的纯度≥99.5％，直径为0.1～1.0μm，长度为50～200μm；步骤二中ZrC粉末的纯度≥99％，粒径为3～5μm。

本实施方式步骤一中SiC晶须的理论密度为3.216g/cm³，ZrC粉末的理论密度为理论密度为6.57g/cm³。

本实施方式步骤一中SiC晶须在市场上可以购得，采用超声波分散是为了消除SiC晶须的团聚现象以便更好地均匀混合，根据SiC晶须用量多少确定超声波分散的时间，一般每10gSiC晶须需要超声波分散5min。

本实施方式步骤二中ZrC粉末在市场上可以购得，球磨混料一是为了ZrC粉末与SiC晶须的成分配比，二是为了将SiC晶须均匀地分散到ZrC粉末中去。通常球磨速度要选择适中，太低了混合不均匀，太高了晶须会被打断；另外，球磨速度越高，混料时间可以适当缩短。

本实施方式步骤三采用旋转蒸发器烘干是为了将潮湿的预混合粉干燥，排除水分和无水乙醇。

本实施方式步骤四采用热压烧结是为了得到致密的SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料。

本实施方式得到的一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料，经测量其直径为30～50mm，厚度在5～20mm。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中超声波分散处理的方法是按下述操作进行的：以无水乙醇作为分散剂，SiC晶须与无水乙醇的用量比分别为4～20g∶100～150mL，在工作电压为220V、频率为20～25kHz的条件下超声分散3～10min。其他与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤二中球磨处理的方法是按下述操作进行的：以180～220mL无水乙醇作为分散剂，ZrO₂球作为球磨介质，球料质量比为5∶1～8∶1，球磨转速为100～300r/min，湿法球磨5～20h。其他与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤二中球磨处理的方法是按下述操作进行的：以180～220mL无水乙醇作为分散剂，ZrO₂球作为球磨介质，球料质量比为5∶1～8∶1，球磨转速为200r/min，湿法球磨10h。其他与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤二中SiC晶须与ZrC粉末的体积百分比为10％∶90％。其他与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤三中烘干处理的方法是按下述操作进行的：在旋转蒸发器的转速为60～90r/min、温度为60～70℃条件下烘干1～2h。其他与具体实施方式二相同。

本实施方式采用旋转蒸发器对其进行烘干，主要是为了避免混合浆料在干燥过程中因密度差异而导致干燥粉成分不均匀。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤三中烘干处理的方法是按下述操作进行的：在旋转蒸发器的转速为75r/min、温度为65℃条件下烘干1～2h。其他与具体实施方式二相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二、三、七或八不同的是步骤四中在石墨模具内壁及两端涂一层BN，并在试样两端垫有石墨纸。其他与具体实施方式二、三、七或八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤四中烧结处理的方法是按下述操作进行的：在温度为1800～2100℃、压力为10～30MPa的条件下，保温30～60min，然后撤压、随炉冷却。其他与具体实施方式九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤四中烧结处理的方法是按下述操作进行的：在温度为1950℃、压力为20MPa的条件下，保温45min，然后撤压随炉冷却。其他与具体实施方式九相同。

具体实施方式十二：本实施方式一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料的制备方法按以下步骤实现：一、将SiC晶须经超声波进行分散；二、将分散均匀的SiC晶须与ZrC粉末混合后进行球磨，SiC晶须与ZrC粉末的体积百分比为20％∶80％；三、采用旋转蒸发器将步骤二中球磨混合均匀的浆料进行烘干；四、将经烘干处理后所得的混合粉装入石墨模具中，采用真空热压炉，在氩气保护下进行热压烧结。

本实施方式步骤四中热压烧结温度为1900℃，压力为30MPa，保温时间60min，然后撤压随炉冷却。

本实施方式制备的ZrC-SiC基超高温陶瓷复合材料热压坯的尺寸为Φ50mm×12mm。

具体实施方式十三：通过对试样进行研磨、抛光、磨倒角后，并进行常规力学性能测试，所得的结果如表1所示。

表1

备注：试样的最高断裂韧性值达5.0308MPa·m^1/2，断裂载荷为59.14N；四组陶瓷试样的密度平均值为5.9754g/cm³。

表1给出了SiC晶须含量对ZrC-SiC超高温陶瓷复合材料的力学性能的影响。

从表1中可以看出，ZrC-SiC超高温陶瓷复合材料在SiC晶须的体积含量小于20％时，ZrC-SiC超高温陶瓷复合材料体系的力学性能随着SiC晶须含量的增加而增加；当在ZrC中添加体积含量为10％的SiC时，ZrC-SiC超高温陶瓷复合材料的抗弯强度由203MPa增加到340MPa，提高了将近0.7倍，而断裂韧性由2.4MPa·m^1/2增加到2.9MPa·m^1/2，提高了近0.2倍；SiC晶须体积含量为20％时，烧结体获得了最大抗弯强度值和断裂韧性值分别为596MPa和5.0MPa·m^1/2，说明添加SiC晶须显著改善复合材料的烧结性能与强韧性。

当SiC晶须的体积含量为5％、ZrC粉末的体积含量为95％时，得到的ZrC基超高温陶瓷复合材料热压坯表面的扫描电镜图如图2(a)所示；得到的ZrC基超高温陶瓷复合材料热压坯断口的扫描电镜图如图3(a)所示。

当SiC晶须的体积含量为20％、ZrC粉末的体积含量为80％时，得到的ZrC基超高温陶瓷复合材料热压坯表面的扫描电镜图如图2(b)所示；得到的ZrC基超高温陶瓷复合材料热压坯断口的扫描电镜图如图3(b)所示。

Claims (7)

1.一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料，其特征在于SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料由SiC晶须和ZrC基体组成；SiC晶须作为增强相存在于ZrC基体中，SiC晶须的体积百分含量为5～20％，ZrC基体的体积百分含量为80～95％。

2.制备权利要求1所述的一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料的方法，其特征在于它按以下步骤实现：一、将SiC晶须经超声波进行分散；二、将分散均匀的SiC晶须与ZrC粉末混合后进行球磨，SiC晶须与ZrC粉末的体积百分比分别为5～20％∶80～95％；三、采用旋转蒸发器将步骤二中球磨混合均匀的浆料进行烘干；四、将经烘干处理后所得的混合粉装入石墨模具中，采用真空热压炉，在氩气保护下进行热压烧结。其中步骤一中SiC晶须的纯度≥99.5％，直径为0.1～1.0μm，长度为50～200μm；步骤二中ZrC粉末的纯度≥99％，粒径为3～5μm。

3.根据权利要求2所述的一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中超声波分散处理的方法是按下述操作进行的：以无水乙醇作为分散剂，SiC晶须与无水乙醇的用量比分别为4～20g∶100～150mL，在工作电压为220V、频率为20～25kHz的条件下超声分散3～10min。

4.根据权利要求2或3所述的一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中球磨处理的方法是按下述操作进行的：以180～220mL无水乙醇作为分散剂，ZrO₂球作为球磨介质，球料质量比为5∶1～8∶1，球磨转速为100～300r/min，湿法球磨5～20h。

5.根据权利要求4所述的一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于步骤三中烘干处理的方法是按下述操作进行的：在旋转蒸发器的转速为60～90r/min、温度为60～70℃条件下烘干1～2h。

6.根据权利要求2、3或5所述的一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中在石墨模具内壁及两端涂一层BN，并在试样两端垫有石墨纸。

7.根据权利要求6所述的一种SiC晶须增韧ZrC基超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于步骤四中烧结处理的方法是按下述操作进行的：在温度为1800～2100℃、压力为10～30MPa的条件下，保温30～60min，然后撤压随炉冷却。

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