專利名稱：一種ZrB₂-SiC_nm超高溫陶瓷復合材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種ZrB2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法。
背景技術：
由于&B2的熔點高，硬度大，以及具有良好的耐腐蝕與耐氧化性能，所以可用做高 溫陶瓷材料，適于制作火箭噴嘴、燃燒室內(nèi)襯、磁流體發(fā)電的電極材料以及其他場合的高溫 結(jié)構(gòu)件等。但陶瓷是強共價鍵化合物，燒結(jié)致密比較困難，且具有陶瓷材料的本征脆 性，需要添加第二相。通常添加SiC，對&b2基體起到加快燒結(jié)致密過程、提高致密度、改善 陶瓷強韌性和抗氧化性能。納米SiC顆粒增韌效果雖不如晶須和纖維，但由于其原料混合 均勻化及燒結(jié)致密化都比SiC晶須和SiC纖維復合材料簡便易行，同時也會帶來高溫強度 和高溫蠕變性能的改善。因此納米SiC顆粒增韌陶瓷基復合材料同樣受到重視，國內(nèi)外已 有納米顆粒增韌陶瓷復合材料的研究。納米SiC相的引入能抑制&b2基體晶粒的異 常長大，使基體結(jié)構(gòu)均勻細化，最終得到高性能的^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料。ZrB2-SiCnm復合材料是一種重要的超高溫陶瓷(UHTCs)，其高溫強度和高溫抗氧 化性能優(yōu)異，因而能夠勝任于包括超高音速長時飛行、再入大氣層、跨大氣層飛行和火箭推 進系統(tǒng)等極端環(huán)境?，F(xiàn)有的^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料通常采用傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)工 藝，存在燒結(jié)周期長、設備昂貴、長時間高溫過程導致晶粒迅速長大的缺點。目前，為了克服 ZrB2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料存在的缺陷，在制備方法上多采用壓力作用；快速升溫、降 溫；瞬時或短時間高溫燒結(jié)；電活化作用、磁活化作用。雖然這些方法均具有促進快速燒結(jié) 致密化和控制晶粒長大的作用，但是這些工藝本身也存在設備昂貴、工藝操作復雜及合成 困難的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有制備ZrB2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備工藝 操作復雜、合成困難、設備昂貴且燒結(jié)周期長，得到的產(chǎn)品晶粒粗大的問題，而提供一種 ZrB2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法。本發(fā)明ZrB2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法按以下步驟實施一、用鋼堵 頭(2)封閉無縫鋼管(1)的下端口后，將^B2-SiCnm預混合粉裝入無縫鋼管(1)內(nèi)，然后 用另一個鋼堵頭(2)封閉無縫鋼管(1)的上端口 ；二、將圓錐形木塊(3)的底面粘到無縫 鋼管(1)的頂端端面上，然后放置于圓柱形紙板模具(4)內(nèi)，而后將炸藥以密度為0.8 1.2g/mm3均勻填滿圓柱形紙板模具(4)；三、將電雷管(5)鑲嵌于炸藥內(nèi)，用爆破儀引爆電 雷管(5)，實施爆破；四、將爆炸壓實后得到的無縫鋼管(1)放入真空度為0. 1 lPa、溫度 為600 800°C的真空條件下，保溫1 3h，隨爐冷卻至室溫，然后去掉無縫鋼管(1)，即得 ZrB2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料；其中步驟一中裝入的納米SiC粉末與微米&B2粉末的混 合粉，初裝密度為2. 0 2. 5g/mm3,納米SiC粉末與微米&B2粉末的體積百分比分別為5 30% 70 95% ；步驟一中無縫鋼管(1)的鋼管外徑為20 24mm，內(nèi)徑為15 18mm，長度為110 200mm ；步驟一中鋼堵頭(2)的厚度為12 20mm，直徑與無縫鋼管(1)的內(nèi)徑 相同；步驟一中鋼堵頭(2)與無縫鋼管(1)的鋼材質(zhì)相同；步驟二中圓錐形木塊(3)的高 度為16 20mm，直徑與無縫鋼管(1)的外徑相同；步驟二中圓柱形紙板模具(4)的外徑為 70 100mm，厚度為1 2mm，長度為150 250mm ；步驟二中無縫鋼管(1)的縱向中心軸線 與圓柱形紙板模具(4)的縱向中心軸線位于同一軸線上；步驟三中雷管(5)豎放的位置與 圓柱形紙板模具(4)的縱向中心軸線位于同一直線上。本發(fā)明得到的ZrB2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料，經(jīng)測量直徑為10 14mm，長度為 96 160mmo本發(fā)明采用爆炸燒結(jié)法在爆破瞬間升溫時間為40 80ns，升溫速度為IOiciIO11K/ s,升溫時間極短、速度極快，使得表面溫度超過熔點，顆粒表面形成極薄熔化層，短周期實 現(xiàn)摩擦焊合而得到高度致密的燒結(jié)體；而在爆破過程中，又因固-液界面蓄積大量能量， 能量通過顆粒表面向心部迅速傳導，降溫速度瞬間達到IO8 109K/s，使本發(fā)明得到的 ^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的致密度> 96%的理論密度，且納米晶粒幾乎不長大；設 備成本低廉，制備工藝操作簡單、容易合成。


圖1是^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料制備裝置的主視剖面圖；圖2是具體實施 方式二十一爆炸壓實^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料掃描電鏡圖；圖3是未經(jīng)過爆炸壓實 的ZrB2-SiCnm預混合粉掃描電鏡圖。
具體實施例方式本發(fā)明技術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
一如圖1所示，本實施方式^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備 方法按以下步驟實施一、用鋼堵頭(2)封閉無縫鋼管(1)的下端口后，將^B2-SiCnm預混 合粉裝入無縫鋼管(1)內(nèi)，然后用另一個鋼堵頭(2)封閉無縫鋼管(1)的上端口 ；二、將圓 錐形木塊(3)的底面粘到無縫鋼管(1)的頂端端面上，然后放置于圓柱形紙板模具(4)內(nèi)， 而后將炸藥以密度為0.8 1.2g/mm3均勻填滿圓柱形紙板模具(4)；三、將電雷管(5)鑲嵌 于炸藥內(nèi)，用爆破儀引爆電雷管(5)，實施爆破；四、將爆炸壓實后得到的無縫鋼管(1)放入 真空度為0. 1 lPa、溫度為600 800°C的真空條件下，保溫1 3h，隨爐冷卻至室溫，然 后去掉無縫鋼管(1)，即得^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料；其中步驟一中裝入的納米SiC 粉末與微米粉末的混合粉，初裝密度為2. 0 2. 5g/mm3,納米SiC粉末與微米&B2粉 末的體積百分比分別為5 30% 70 95%;步驟一中無縫鋼管(1)的鋼管外徑為20 24mm,內(nèi)徑為15 18mm，長度為110 200mm ；步驟一中鋼堵頭(2)的厚度為12 20mm， 直徑與無縫鋼管(1)的內(nèi)徑相同；步驟一中鋼堵頭(2)與無縫鋼管(1)的鋼材質(zhì)相同；步驟 二中圓錐形木塊(3)的高度為16 20mm，直徑與無縫鋼管(1)的外徑相同；步驟二中圓柱 形紙板模具(4)的外徑為70 100mm，厚度為1 2mm，長度為150 250mm ；步驟二中無 縫鋼管(1)的縱向中心軸線與圓柱形紙板模具(4)的縱向中心軸線位于同一軸線上；步驟 三中雷管(5)豎放的位置與圓柱形紙板模具(4)的縱向中心軸線位于同一直線上。
本實施方式步驟一中納米SiC粉末和微米&b2粉末在市場上均可以購得。本實施方式步驟二中圓錐形木質(zhì)塊3的底面粘到無縫鋼管的頂端端面上，圓錐形 木塊3的直徑與無縫鋼管的外徑相同，圓錐形木質(zhì)塊3的作用是改變爆轟波形狀，使能量傳 遞更均勻。本實施方式步驟三中采用炸藥爆炸的目的是壓縮無縫鋼管，進而壓實鋼管內(nèi) ZrB2-SiCnm預混合粉。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中裝入的 ZrB2-SiCnm預混合粉的密度為2. 2 2. 4g/mm3。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中裝入的 ^B2-SiCnm預混合粉的密度為2. 3g/mm3。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中無縫鋼管1的 鋼管外徑為21 23mm、內(nèi)徑為16 17mm、長度為140 180mm。其它與具體實施方式
一相 同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中無縫鋼管1的 鋼管外徑為22mm、內(nèi)徑為16mm、長度為160mm。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中鋼堵頭2的厚 度為14 18mm。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中鋼堵頭2的厚 度為16mm。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中圓錐形木塊3 的高度為17 19mm。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中圓錐形木塊3 的高度為18mm。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中圓柱形紙板模 具4的外徑為80 90mm，厚度為1. 2 1. 8mm,長度為180 220mm。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中圓柱形紙板 模具4的外徑為85mm，厚度為1. 5mm，長度為200mm。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中將炸藥以密 度為0. 9 1. lg/mm3均勻填滿圓柱形紙板模具4內(nèi)。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中將炸藥以密 度為lg/mm3均勻填滿圓柱形紙板模具4內(nèi)。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟二中炸藥為硝酸 脲炸藥、硝酸銨炸藥、TNT炸藥及黑索金炸藥的一種或幾種。其它與具體實施方式
一相同。本實施方式中炸藥由兩種或兩種以上組成時各組分按任意比例混合。本實施方式炸藥種類及其主要特性如表1所示。表 權(quán)利要求
一種ZrB2 SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法，其特征在于ZrB2 SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法按以下步驟實施一、用鋼堵頭(2)封閉無縫鋼管(1)的下端口后，將ZrB2 SiCnm預混合粉裝入無縫鋼管(1)內(nèi)，然后用另一個鋼堵頭(2)封閉無縫鋼管(1)的上端口；二、將圓錐形木塊(3)的底面粘到無縫鋼管(1)的頂端端面上，然后放置于圓柱形紙板模具(4)內(nèi)，而后將炸藥以密度為0.8～1.2g/mm3均勻填滿圓柱形紙板模具(4)；三、將電雷管(5)鑲嵌于炸藥內(nèi)，用爆破儀引爆電雷管(5)，實施爆破；四、將爆炸壓實后得到的無縫鋼管(1)放入真空度為0.1～1Pa、溫度為600～800℃的真空條件下，保溫1～3h，隨爐冷卻至室溫，然后去掉無縫鋼管(1)，即得ZrB2 SiCnm超高溫陶瓷復合材料；其中步驟一中裝入的納米SiC粉末與微米ZrB2粉末的混合粉，初裝密度為2.0～2.5g/mm3，納米SiC粉末與微米ZrB2粉末的體積百分比分別為5～30％∶70～95％；步驟一中無縫鋼管(1)的鋼管外徑為20～24mm，內(nèi)徑為15～18mm，長度為110～200mm；步驟一中鋼堵頭(2)的厚度為12～20mm，直徑與無縫鋼管(1)的內(nèi)徑相同；步驟一中鋼堵頭(2)與無縫鋼管(1)的鋼材質(zhì)相同；步驟二中圓錐形木塊(3)的高度為16～20mm，直徑與無縫鋼管(1)的外徑相同；步驟二中圓柱形紙板模具(4)的外徑為70～100mm，厚度為1～2mm，長度為150～250mm；步驟二中無縫鋼管(1)的縱向中心軸線與圓柱形紙板模具(4)的縱向中心軸線位于同一軸線上；步驟三中雷管(5)豎放的位置與圓柱形紙板模具(4)的縱向中心軸線位于同一直線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法，其特征在 于步驟一中裝入的ZrB2-SiCnm預混合粉，初裝密度為2. 2 2. 4g/mm3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法，其特 征在于步驟一中無縫鋼管(1)的鋼管外徑為21 23mm、內(nèi)徑為16 17mm、長度為140 180mmo
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法，其特征在 于步驟二中圓錐形木塊(3)的高度為17 19mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的一種^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法，其 特征在于步驟二中將炸藥以密度為0.9 l.lg/mm3均勻填滿圓柱形紙板模具(4)內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法，其特征在 于步驟二中炸藥為硝酸脲炸藥、硝酸銨炸藥、TNT炸藥及黑索金炸藥中的一種或幾種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或6所述的一種^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法， 其特征在于步驟二中圓柱形紙板模具(4)的外徑為80 90mm，厚度為1. 2 1. 8mm，長度 為 180 220mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法，其特征在 于步驟四中真空度為0. 3 0. 7Pa。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法，其特征在 于步驟四中溫度為650 750°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種^B2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法，其特征在 于步驟四中保溫時間為1. 5 2. 5h。
全文摘要
一種ZrB2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的制備方法，它涉及一種超高溫陶瓷復合材料的制備方法。它解決了現(xiàn)有制備ZrB2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料的工藝復雜、設備昂貴且制備周期長，得到的產(chǎn)品晶粒粗大的問題。制備方法一、將納米SiC粉末與微米ZrB2粉末放入行星式球磨機混合均勻，然后把ZrB2-SiCnm預混合粉裝入無縫鋼管內(nèi)；二、將圓錐形木塊的底面粘到無縫鋼管頂端端面上，裝炸藥；三、實施爆破；四、將爆炸壓實后得到的無縫鋼管在真空條件下熱處理，冷卻后去掉無縫鋼管，得到直徑為10～14mm、長度為96～160mm的ZrB2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料。此方法制備工藝操作簡單、容易合成、設備成本低廉，得到的產(chǎn)品致密度高且納米晶粒幾乎不長大，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C04B35/58GK101948314SQ20101028470
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)明者劉時強, 孟松鶴, 張宇民, 李金平, 韓杰才 申請人:哈爾濱工業(yè)大學