專利名稱：一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超高溫陶瓷復合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
ZrC基超高溫陶瓷，與硼化物陶瓷相近，是在2000°C以上可用材料的典型代表，具 有較高的熔點、較好的化學穩(wěn)定性、較高的彈性模量、優(yōu)良的導電性、較高的硬度、良好的導 熱性等優(yōu)異的性能，特別適合于作固體火箭發(fā)動機的噴管喉襯、燃氣舵、端頭帽等部件，也 可以作為超高速飛行器的鼻錐、端頭、翼前緣等耐高溫結(jié)構(gòu)元件等。但單相ZrC陶瓷具有致 密度和燒結(jié)性能低、強度和韌性低、抗氧化性能差等缺點。為了彌補單一相陶瓷材料的這些 缺陷，采用添加增SiC晶須來提高基體的韌性，以制得綜合性能優(yōu)良的陶瓷材料。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有ZrC基超高溫陶瓷致密度和燒結(jié)性能低、強度和韌性 低、抗氧化性能差的缺點，改善單相&C陶瓷燒結(jié)致密困難以及陶瓷本征脆性等問題而提 供了一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料及其制備方法。本發(fā)明提供的一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料由SiC晶須和ZrC基 體組成；SiC晶須作為增強相存在于ZrC基體中，SiC晶須的體積百分含量為5 20%，ZrC 基體的體積百分含量為80 95%。本發(fā)明提供的一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料的制備方法可以按以 下步驟實現(xiàn)一、將SiC晶須經(jīng)超聲波進行分散；二、將分散均勻的SiC晶須與&C粉末混合 后進行球磨，SiC晶須與ZrC粉末的體積百分比分別為5 20% 80 95% ；三、采用旋轉(zhuǎn) 蒸發(fā)器將步驟二中球磨混合均勻的漿料進行烘干；四、將經(jīng)烘干處理后所得的混合粉裝入 石墨模具中，采用真空熱壓爐，在氬氣保護下進行熱壓燒結(jié)。其中步驟一中SiC晶須的純度 彡99. 5%，直徑為0. 1 Ι.Ομπι，長度為50 200 μ m ；步驟二中ZrC粉末的純度彡99%, 粒徑為3 5 μ m。本發(fā)明通過在ZrC基體中添加SiC晶須制備ZrC基超高溫陶瓷復合材料，改善了 單相&C陶瓷材料的燒結(jié)性能；致密度> 95%，比ZrC單相陶瓷的致密度有所提高；斷裂韌 性良好，達到2 6MPa · m1/2 ；彎曲強度較大，達到300 600MPa ；抗氧化性能好，耐燒蝕性 能優(yōu)異且顆粒細小、分布均勻。


圖1是具體實施方式
十二制備的&C_SiC超高溫陶瓷復合材料熱壓坯；圖2 (a)是具體實施方式
十三制備的SiC晶須體積百分含量為5%的&C_SiC超高 溫陶瓷復合材料熱壓坯表面的掃描電鏡圖；圖2(b)是具體實施方式
十三制備的SiC晶須體積百分含量為20%的&C_SiC超高溫陶瓷復合材料熱壓坯表面的掃描電鏡圖；圖3 (a)是具體實施方式
十三制備的SiC晶須體積百分含量為5%的&C_SiC超高 溫陶瓷復合材料熱壓坯斷口的掃描電鏡圖；圖3(b)是具體實施方式
十三制備的SiC晶須體積百分含量為20%的&C_SiC超 高溫陶瓷復合材料熱壓坯斷口的掃描電鏡圖。
具體實施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的 任意組合。
具體實施方式
一本實施方式一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料由 SiC晶須和ZrC基體組成；SiC晶須作為增強相存在于ZrC基體中，SiC晶須的體積百分含 量為5 20%，ZrC基體的體積百分含量為80 95%。
具體實施方式
二 本實施方式一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料的制 備方法按以下步驟實現(xiàn)一、將SiC晶須經(jīng)超聲波進行分散；二、將分散均勻的SiC晶須與 ZrC粉末混合后進行球磨，SiC晶須與ZrC粉末的體積百分比分別為5 20% 80 95%; 三、采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將步驟二中球磨混合均勻的漿料進行烘干；四、將經(jīng)烘干處理后所得的 混合粉裝入石墨模具中，采用真空熱壓爐，在氬氣保護下進行熱壓燒結(jié)。其中步驟一中SiC 晶須的純度彡99.5%,直徑為0. 1 1. 0 μ m，長度為50 200 μ m ；步驟二中ZrC粉末的純 度彡99%，粒徑為3 5μπι。本實施方式步驟一中SiC晶須的理論密度為3. 216g/cm3, ZrC粉末的理論密度為 理論密度為6. 57g/cm3。本實施方式步驟一中SiC晶須在市場上可以購得，采用超聲波分散是為了消除 SiC晶須的團聚現(xiàn)象以便更好地均勻混合，根據(jù)SiC晶須用量多少確定超聲波分散的時間， 一般每IOgSiC晶須需要超聲波分散5min。本實施方式步驟二中ZrC粉末在市場上可以購得，球磨混料一是為了 ZrC粉末與 SiC晶須的成分配比，二是為了將SiC晶須均勻地分散到ZrC粉末中去。通常球磨速度要選 擇適中，太低了混合不均勻，太高了晶須會被打斷；另外，球磨速度越高，混料時間可以適當縮短。本實施方式步驟三采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器烘干是為了將潮濕的預混合粉干燥，排除水分 和無水乙醇。本實施方式步驟四采用熱壓燒結(jié)是為了得到致密的SiC晶須增韌&C基超高溫陶 瓷復合材料。本實施方式得到的一種SiC晶須增韌&C基超高溫陶瓷復合材料，經(jīng)測量其直徑 為30 50mm,厚度在5 20mm。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
二不同的是步驟一中超聲波分散處 理的方法是按下述操作進行的以無水乙醇作為分散劑，SiC晶須與無水乙醇的用量比分 別為4 20g 100 150mL，在工作電壓為220V、頻率為20 25kHz的條件下超聲分散 3 lOmin。其他與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
二或三不同的是步驟二中球磨處理的方法是按下述操作進行的以180 220mL無水乙醇作為分散劑，ZrO2球作為球磨介質(zhì)， 球料質(zhì)量比為5 1 8 1，球磨轉(zhuǎn)速為100 300r/min，濕法球磨5 20h。其他與具 體實施方式二或三相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
二或三不同的是步驟二中球磨處理 的方法是按下述操作進行的以180 220mL無水乙醇作為分散劑，ZrO2球作為球磨介質(zhì)， 球料質(zhì)量比為5 1 8 1，球磨轉(zhuǎn)速為200r/min，濕法球磨10h。其他與具體實施方式
二或三相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
二或三不同的是步驟二中SiC晶須 與ZrC粉末的體積百分比為10% 90%。其他與具體實施方式
二或三相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
二不同的是步驟三中烘干處理的方 法是按下述操作進行的在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器的轉(zhuǎn)速為60 90r/min、溫度為60 70°C條件下烘 干1 2h。其他與具體實施方式
二相同。本實施方式采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器對其進行烘干，主要是為了避免混合漿料在干燥過程 中因密度差異而導致干燥粉成分不均勻。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
二不同的是步驟三中烘干處理的方 法是按下述操作進行的在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器的轉(zhuǎn)速為75r/min、溫度為65°C條件下烘干1 2h。 其他與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
二、三、七或八不同的是步驟四中在 石墨模具內(nèi)壁及兩端涂一層BN，并在試樣兩端墊有石墨紙。其他與具體實施方式
二、三、七 或八相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
九不同的是步驟四中燒結(jié)處理的方 法是按下述操作進行的在溫度為1800 2100°C、壓力為10 30MPa的條件下，保溫30 60min,然后撤壓、隨爐冷卻。其他與具體實施方式
九相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
九不同的是步驟四中燒結(jié)處理的 方法是按下述操作進行的在溫度為1950°C、壓力為20MPa的條件下，保溫45min，然后撤壓 隨爐冷卻。其他與具體實施方式
九相同。
具體實施方式
十二 本實施方式一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料的 制備方法按以下步驟實現(xiàn)一、將SiC晶須經(jīng)超聲波進行分散；二、將分散均勻的SiC晶須 與ZrC粉末混合后進行球磨，SiC晶須與ZrC粉末的體積百分比為20% 80%;三、采用旋 轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將步驟二中球磨混合均勻的漿料進行烘干；四、將經(jīng)烘干處理后所得的混合粉裝 入石墨模具中，采用真空熱壓爐，在氬氣保護下進行熱壓燒結(jié)。本實施方式步驟四中熱壓燒結(jié)溫度為1900°C，壓力為30MPa，保溫時間60min，然 后撤壓隨爐冷卻。本實施方式制備的&C_SiC基超高溫陶瓷復合材料熱壓坯的尺寸為 Φ 50mm X 12mm。
具體實施方式
十三通過對試樣進行研磨、拋光、磨倒角后，并進行常規(guī)力學性能 測試，所得的結(jié)果如表1所示。表 權(quán)利要求
一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料，其特征在于SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料由SiC晶須和ZrC基體組成；SiC晶須作為增強相存在于ZrC基體中，SiC晶須的體積百分含量為5～20％，ZrC基體的體積百分含量為80～95％。
2.制備權(quán)利要求1所述的一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料的方法，其特 征在于它按以下步驟實現(xiàn)一、將SiC晶須經(jīng)超聲波進行分散；二、將分散均勻的SiC晶須 與ZrC粉末混合后進行球磨，SiC晶須與ZrC粉末的體積百分比分別為5 20% 80 95% ；三、采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將步驟二中球磨混合均勻的漿料進行烘干；四、將經(jīng)烘干處理后 所得的混合粉裝入石墨模具中，采用真空熱壓爐，在氬氣保護下進行熱壓燒結(jié)。其中步驟一 中SiC晶須的純度彡99.5%,直徑為0. 1 1. 0 μ m，長度為50 200 μ m ；步驟二中ZrC粉 末的純度彡99%，粒徑為3 5μπι。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料的制備方法， 其特征在于步驟一中超聲波分散處理的方法是按下述操作進行的以無水乙醇作為分散 劑，SiC晶須與無水乙醇的用量比分別為4 20g 100 150mL，在工作電壓為220V、頻 率為20 25kHz的條件下超聲分散3 IOmin。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料的制備 方法，其特征在于步驟二中球磨處理的方法是按下述操作進行的以180 220mL無水乙醇 作為分散劑，ZrO2球作為球磨介質(zhì)，球料質(zhì)量比為5 1 8 1，球磨轉(zhuǎn)速為100 300r/ min，濕法球磨5 20h。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料的制備方法， 其特征在于步驟三中烘干處理的方法是按下述操作進行的在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器的轉(zhuǎn)速為60 90r/min、溫度為60 70°C條件下烘干1 2h。
6.根據(jù)權(quán)利要求2、3或5所述的一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料的制備 方法，其特征在于步驟四中在石墨模具內(nèi)壁及兩端涂一層BN，并在試樣兩端墊有石墨紙。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料的制備方法， 其特征在于步驟四中燒結(jié)處理的方法是按下述操作進行的在溫度為1800 2100°C、壓力 為10 30MPa的條件下，保溫30 60min，然后撤壓隨爐冷卻。
全文摘要
一種SiC晶須增韌ZrC基超高溫陶瓷復合材料及其制備方法，它涉及一種超高溫陶瓷復合材料及其制備方法。它解決現(xiàn)有ZrC基超高溫陶瓷致密度和燒結(jié)性能低、強度和韌性低、抗氧化性能差的缺點。制備方法一、將SiC晶須經(jīng)超聲波進行分散；二、將分散均勻的SiC晶須與ZrC粉末混合后進行球磨；三、采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將球磨混合均勻的漿料進行烘干；四、將經(jīng)烘干處理后所得的混合粉裝入石墨模具中，采用真空熱壓爐，在氬氣保護下進行熱壓燒結(jié)。得到了致密度≥95％理論密度的超高溫陶瓷復合材料，且顆粒細小、分布均勻，彎曲強度300～600MPa，斷裂韌性2～6MPa·m1/2。該材料可作為固體火箭發(fā)動機的噴管、燃氣舵、端頭帽等部件，也可以作為超高速飛行器的鼻錐、端頭、翼前緣等耐高溫結(jié)構(gòu)件等。
文檔編號C04B35/81GK101948326SQ201010284528
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者孟松鶴, 張宇民, 李金平, 柳青, 韓杰才 申請人:哈爾濱工業(yè)大學