專利名稱：一種高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料及其制備方法，具體涉及一種通過摻雜鎢或鈮或它們的組合提高碳化鋯陶瓷塊體材料的室溫強度、高溫強度、高溫彈性模量和高溫抗氧化性的方法，屬于陶瓷材料技術領域。
背景技術：
碳化鋯陶瓷(ZrC)具有高熔點、高彈性模量、抗輻照等優(yōu)異的綜合性能，在航空、航天、核工業(yè)等領域具有廣泛的應用前景。然而，作為高溫結構材料，其抗氧化性較差和強度低的缺點限制了它的廣泛應用。特別是第四代高溫核反應堆對新型抗輻照材料提出了耐高溫、抗氧化、抗輻照的要求，要求碳化鋯陶瓷既具有高的強度和高溫抗氧化性，又具有優(yōu)異的抗輻照性能。碳化鋯陶瓷由于難以燒結，其強度和韌性均比較低，通常強度只有150MPa左右，為了提高碳化鋯陶瓷的室溫和高溫性能，國內外開展大量的研究工作。文獻I(ScriptaMater.，59:638-641 (2008))提供了一種在碳化鋯陶瓷中加入MoSi2提高燒結活性、降低燒結溫度的方法，由于ZrC陶瓷的平均晶粒尺寸減小，使碳化鋯陶瓷的室溫強度和韌性得到改善，但由于MoSi2的熔點低(2030°C)和高溫抗蠕變性較差，因此高溫力學性能未得到提高。文獻2(J. Mater. Sc1.，39 :6057-6066 (2004))采用前驅體裂解的碳化鋯粉末為原料，在1700-1950°C、40MPa壓力下熱壓燒結2小時制備出接近理論密度的體材料，但高溫抗氧化性未得到改善。文獻 3(Metallography，6，433-438(1973))提供了一種用電弧熔化制備碳化鋯和摻雜硼的碳化鋯的方法，所得到的材料致密度高，摻雜硼的碳化鋯的抗氧化性有所提高，但由于晶粒粗大，強度較低。文獻4(J. Mater. Sc1. 43:6414-6421 (2008))提供了一種用放電等離子體燒結制備碳化鋯陶瓷的方法，雖然強度和韌性得到改善，但高溫抗氧化性未得到提高。到目前為止，還沒有一種既可以提高碳化鋯陶瓷的室溫和高溫強度，又可以提高碳化鋯陶瓷的高溫抗氧化性的方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了提出一種高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料及其制備方法，該方法制備的碳化鋯陶瓷材料具有室溫強度高、高溫強度高、高溫彈性模量高和高溫抗氧化性好的優(yōu)點。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料，該碳化鋯陶瓷材料包括基體和摻雜組元，摻雜組元的摩爾數(shù)占基體摩爾數(shù)的1°/Tl5% ；所述的基體為碳化鋯(ZrC)陶瓷；所述的摻雜組元為鎢(W)、鈮(Nb)、碳化鎢(WC)、碳化鈮(NbC)或其混合物；所述的摻雜組元的純度不小于99%，粒徑為小于300目；本發(fā)明的一種高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料的制備方法，具體步驟為將基體和摻雜組元混合后，烘干，然后在氬氣保護下進行熱壓燒結，得到高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料；所述的混合是在行星式球磨機中進行的濕法混合，混合時間為20-30h，混合介質為乙醇，磨球為碳化鎢球。所述的烘干時在真空烘箱中進行的，烘干溫度為40_70°C ；所述的熱壓燒結時所使用的模具為石墨模具，熱壓燒結溫度為1700-2000°C，熱壓燒結時間為l 4h，熱壓燒結壓力為2(T40 MPa。有益效果本發(fā)明的方法制備的碳化鋯陶瓷材料具有高的致密度、優(yōu)異的室溫和高溫力學性能以及良好的高溫抗氧化性。根據(jù)摻雜組元含量的不同，該方法得到的碳化鋯陶瓷，室溫彎曲強度> 400 MPa,最高可達420 MPa,高溫1200°C的彈性模量彡300 GPa，高溫1200°C的彈性模量彡275GPa。未摻雜的碳化鋯陶瓷的彎曲強度為150_400MPa，高溫1200°C的彈性模量為270GPa, 12000C以上強度和高溫彈性模量低。此外，上述方法得到的碳化鋯陶瓷材料在空氣中氧化結束的溫度比未摻雜的碳化鋯陶瓷提高了 200°C。通過對比可見本發(fā)明制備的碳化鋯陶瓷材料具有優(yōu)異的室溫、高溫力學性能和良好的高溫抗氧化性。


圖1為實施例1得到的碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷的X-射線衍射譜； 圖2為摻雜WC含量對碳化鋯陶瓷致密度的影響；圖3為摻雜NbC含量對碳化鋯陶瓷致密度的影響。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。實施例1將鋯粉86. 5 g，鎢粉9. 2 g，石墨粉12 g均勻混合，在行星式球磨機上球磨20小時，球磨介質為乙醇，磨球為碳化鎢球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50 0C0干燥后的粉末置入Φ60 _的石墨模具中，反應熱壓燒結在流動氬氣保護下進行，熱壓溫度為1800°C，壓力為35 MPa，保壓時間為60分鐘。將得到的材料按照GB/T 14390-2008進行力學性能測試，彎曲強度的樣品尺寸為3mmX 4mmX 40mm,斷裂韌性為4mmX 8mmX 36mm。測試結果為室溫彎曲強度為450MPa,斷裂韌性為3.5 MPa.m1/2，得到的碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷的X-射線衍射譜如圖1所示。實施例2 將鋯粉86. 5 g，鈮粉4. 6 g，石墨粉12 g均勻混合，在行星式球磨機上球磨20小時，球磨介質為乙醇，磨球為碳化鎢球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50°C。干燥后的粉末置入O60mm的石墨模具中，反應熱壓燒結在流動氬氣保護下進行，熱壓溫度為1900°C，壓力為30 MPa，保壓時間為90分鐘，得到碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷。將得到的材料采用脈沖法進行室溫和高溫彈性模量測試，標準為ASTM E1259-94，樣品尺寸為4mmX 12mmX40mm。測試結果為室溫彈性模量為385GPa，1400°C彈性模量為300GPa。實施例3將鋯粉84. 6 g，鎢粉5. 5 8，鈮粉2.8 g，石墨粉12 g均勻混合，在行星式球磨機上球磨30小時，球磨介質為乙醇，磨球為碳化鎢球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為70V。干燥后的粉末置入Φ60 mm的石墨模具中，反應熱壓燒結在流動氬氣保護下進行，熱壓溫度為1850°C，壓力為40 MPa，保壓時間為70分鐘，得到碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷。將得到的材料按照GB/T 14390-2008進行彎曲強度測試，彎曲強度的樣品尺寸為3mmX4mmX40mm,斷裂韌性為4mmX8mmX36mm ;采用脈沖法進行室溫彈性模量測試，標準為ASTM E 1259-94，樣品尺寸為4mmX12_X40mm。測試結果為室溫彎曲強度為460MPa，彈性模量為390GPa，斷裂韌性為3. 8MPa. m1/2。實施例4將碳化錯粉107. 5 g,碳化銀粉6. 6 g均勻混合,在行星式球磨機上球磨24小時，球磨介質為乙醇，磨球為碳化鎢球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50°C。干燥后的粉末置入O60mm的石墨模具中，反應熱壓燒結在流動氬氣保護下進行，熱壓溫度為1900°C，壓力為40 MPa，保壓時間為90分鐘，得到碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷。將得到的材料按照GB/T 14390-2008進行力學性能測試，彎曲強度的樣品尺寸為3mmX 4mmX 40mm,斷裂朝性為4mmX 8mmX 36mm。所得材料的室溫彎曲強度為450MPa, 1200°C的彎曲強度340MPa，斷 裂韌性為3. 5MPa. m1/2。實施例5將100摩爾的碳化鋯粉與5摩爾的碳化鎢均勻混合，在行星式球磨機上球磨24小時，球磨介質為乙醇，磨球為碳化鎢球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50°C。干燥后的粉末置入O60mm的石墨模具中，反應熱壓燒結在流動氬氣保護下進行，熱壓溫度為1900°C，壓力為40 MPa，保壓時間為90分鐘，得到碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷，得到的碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷的相對密度為100%，如圖2所示，其中碳化鋯基體的相對密度為94%。實施例6將100摩爾的碳化鋯粉與10摩爾的碳化鎢均勻混合，在行星式球磨機上球磨24小時，球磨介質為乙醇，磨球為碳化鎢球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50°C。干燥后的粉末置入Φ60_的石墨模具中，反應熱壓燒結在流動氬氣保護下進行，熱壓溫度為1900°C，壓力為40 MPa，保壓時間為90分鐘，得到碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷，得到的碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷的相對密度為99. 2%，如圖2所示。實施例7 將100摩爾的碳化鋯粉與5摩爾的碳化鈮均勻混合，在行星式球磨機上球磨24小時，球磨介質為乙醇，磨球為碳化鎢球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50°C。干燥后的粉末置入O60mm的石墨模具中，反應熱壓燒結在流動氬氣保護下進行，熱壓溫度為1900°C，壓力為40 MPa，保壓時間為90分鐘，得到碳化鈮摻雜碳化鋯陶瓷，得到的碳化鈮摻雜碳化鋯陶瓷的相對密度為99%，如圖3所示，其中碳化鋯基體的相對密度為94%。
實施例8將100摩爾的碳化鋯粉與10摩爾的碳化鈮均勻混合，在行星式球磨機上球磨24小時，球磨介質為乙醇，磨球為碳化鎢球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50°C。干燥后的粉末置入Φ60_的石墨模具中，反應熱壓燒結在流動氬氣保護下進行，熱壓溫度為1900°C，壓力為40 MPa，保壓時間為90分鐘，得到碳化鈮摻雜碳化鋯陶瓷，得到的碳化鈮摻雜碳化鋯陶瓷的相對密 度為98%，如圖3所示，其中碳化鋯基體的相對密度為94%。
權利要求
1.一種高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料，其特征在于該碳化鋯陶瓷材料包括基體和摻雜組元，摻雜組元的摩爾數(shù)占基體摩爾數(shù)的1°/Tl5% ；所述的基體為碳化鋯陶瓷；所述的摻雜組元為鶴、銀、碳化鶴、碳化銀或其混合物。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料，其特征在于所述的摻雜組元的純度不小于99%，粒徑為小于300目。
3.—種權利要求1所述的高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料的制備方法，其特征在于具體步驟為將基體和摻雜組元混合后，烘干，然后在氬氣保護下進行熱壓燒結，得到高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料。
4.根據(jù)權利要求3所述的高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的混合是在行星式球磨機中進行的濕法混合，混合時間為20-30h，混合介質為乙醇，磨球為碳化鶴球。
5.根據(jù)權利要求3所述的高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的烘干時在真空烘箱中進行的，烘干溫度為40-70°C。
6.根據(jù)權利要求3所述的高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的熱壓燒結時所使用的模具為石墨模具，熱壓燒結溫度為1700-2000°C，熱壓燒結時間為I 4h，熱壓燒結壓力為20 40 MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強度抗氧化碳化鋯陶瓷材料及其制備方法，屬于陶瓷材料技術領域。該碳化鋯陶瓷材料包括基體和摻雜組元，摻雜組元的摩爾數(shù)占基體摩爾數(shù)的1%~15%；所述的基體為碳化鋯陶瓷；所述的摻雜組元為鎢、鈮、碳化鎢、碳化鈮或其混合物。本發(fā)明的方法制備的碳化鋯陶瓷材料室溫彎曲強度≥400 MPa，最高可達420 MPa， 高溫1200oC的彈性模量≥300 GPa，高溫1200oC的彈性模量≥275 GPa。此外，上述方法得到的碳化鋯陶瓷材料在空氣中氧化結束的溫度比未摻雜的碳化鋯陶瓷提高了200oC。
文檔編號C04B35/56GK103058660SQ20131001009
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月11日 優(yōu)先權日2013年1月11日
發(fā)明者周延春, 鄭麗雅, 盧新坡 申請人:航天材料及工藝研究所, 中國運載火箭技術研究院