本發(fā)明屬于超高溫陶瓷的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷的制備方法。

背景技術(shù)：
層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計是陶瓷增韌的方法之一，它是一種以貝殼等生物材料為原型的仿生機構(gòu)設(shè)計。通常層狀復(fù)合陶瓷是在脆性的陶瓷層間加入不同材質(zhì)或較韌的夾層制成。這種結(jié)構(gòu)的材料在應(yīng)力場中是一種能量耗散結(jié)構(gòu)，能克服陶瓷突發(fā)性斷裂的致命弱點。碳化硅與碳化鋯超高溫陶瓷復(fù)合材料具有耐高溫，耐腐蝕，耐氧化等優(yōu)點，近年來是國際上超高溫陶瓷的研究熱點。而碳化硅與碳化鋯復(fù)合陶瓷材料脆性大，韌性不高，限制了它的應(yīng)用?，F(xiàn)在最常見的碳化硅碳化鋯增韌方式是利用纖維增韌。目前很少有人利用層狀結(jié)構(gòu)增韌碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷復(fù)合材料。目前大部分層狀陶瓷的研究都局限于軟性夾層增韌，軟性夾層大部分采用金屬夾層，而金屬在超高溫環(huán)境下容易發(fā)生界面反應(yīng)。中國專利（CN101844925A）提供了一種流延法制備多層硼化鋯-碳化硅復(fù)相超高溫陶瓷材料的工藝，克服了軟性夾層增韌的局限性，但是該方法在流延過程中，易產(chǎn)生氣泡，影響材料的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷的制備方法，本發(fā)明在現(xiàn)有的超高溫陶瓷的制備方法基礎(chǔ)上，提供了一種層狀陶瓷的增韌方法，且材料表面光滑致密性好，制備的超高溫陶瓷斷裂韌性好、高溫抗氧化性能優(yōu)異。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：本發(fā)明提供了一種層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷的制備方法，包括以下步驟：a.流延法制備碳化硅流延片和碳化鋯流延片將碳化硅粉料或碳化鋯粉料，同聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇和乙醇按質(zhì)量比15:2-6:2-6:75-80混合均勻，在60℃水浴中超聲分散1h，形成流延漿料，向流延漿料中加入正丁醇，混合均勻，然后采用流延法分別流延成型制備得600-800μm厚的碳化硅流延片和碳化鋯流延片；d.排膠將碳化硅和碳化鋯流延片剪切后交替疊片，在真空，600℃條件下，保溫1-1.5小時，得層狀陶瓷坯體；升溫速度為5-10℃/分鐘；e.真空燒結(jié)將上述層狀陶瓷坯體在真空氣氛、1650-1700℃、壓力為10-20MPa條件下，保溫1-1.5小時，冷卻即得所述層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷；升溫速率為5-10℃/分鐘。所述的碳化硅粉料或碳化鋯粉料同聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇、乙醇更為優(yōu)化的質(zhì)量比為：15：4：4：77；碳化硅粉料粒徑為0.8-10μm、碳化鋯粉末粒徑為25-35nm。步驟b中所述的正丁醇的加入量為流延漿料總質(zhì)量的0.5-1.0%。本發(fā)明還提供了一種通過上述方法制備的層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷。所述層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷由100-300μm厚的碳化硅層和50-100μm厚的碳化鋯層組成；該陶瓷的斷裂韌性為8.5-10MPa·m1/2，密度為2.3-2.5g/cm3。步驟a所述的流延漿料具體為：將碳化硅粉料，同聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇和乙醇按質(zhì)量比15:2-6:2-6:75-80混合均勻，在60℃水浴中超聲分散1h，形成碳化硅的流延漿料，然后利用流延法制備的碳化硅流延片；將碳化鋯粉料，同聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇和乙醇按質(zhì)量比15:2-6:2-6:75-80混合均勻，在60℃水浴中超聲分散1h，形成碳化鋯的流延漿料，加入適量正辛醇，然后利用流延法制備的碳化鋯流延片。本發(fā)明使用聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇和乙醇體系，傳統(tǒng)的粘結(jié)劑聚乙烯縮丁醛在非氧化性氣氛中易于碳化，燒結(jié)氣氛要求高，否則可能有殘留碳，本發(fā)明所采用的粘結(jié)分散體系高聚物大分子的空間位阻穩(wěn)定性好，在聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇雙重作用下，降低流延漿料的表面張力，達到良好的潤濕效果，制得的流延漿料的分散效果佳。本發(fā)明中利用超聲分散技術(shù)制備得到的流延漿料分散性好，較傳統(tǒng)的攪拌形式，能夠避免漿料因攪拌產(chǎn)生的氣泡，同時，超聲使得漿料的懸浮性能好，加入正丁醇，可以減少表面層的表面活性濃度，減弱泡沫的穩(wěn)定性，在真空條件下，能夠去除漿料中氣泡，制備得到的流延片致密性、氣孔率和機械強度均有明顯的提高。本發(fā)明通過控制升溫速度、排膠燒結(jié)時間，同樣對坯體中氣孔率及致密度的改變有良好的作用，碳化硅層及碳化鋯突破了軟性夾層的限制，層間的弱界面可以有效地改變斷裂裂紋的傳播方向，從而消耗裂紋的能量，阻止應(yīng)力的擴散，因此層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷具有較高的斷裂韌性。碳化硅層與碳化鋯層交替堆疊，在高溫環(huán)境中遇氧碳化硅層首先被氧化，形成氧化硅膜阻斷氧的進入，然后再氧化第二層，慢慢滲入，相較于傳統(tǒng)的碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷的整體氧化機制，延長了材料的使用壽命。本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果為：1.本發(fā)明制備過程簡單，采用聚甲基丙烯酸酯作為粘結(jié)劑，穩(wěn)定性好，制備的超高溫陶瓷層間結(jié)合好，斷裂韌性、抗氧化性能優(yōu)異。2.流延法制備過程中，通過超聲分散及正丁醇的加入，有效的消除了氣泡的產(chǎn)生，流延片表面光滑，且成品層厚可控，操作性強。附圖說明圖1為層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷的斷面低倍金相圖。圖2為層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷的裂紋傳播路徑圖。具體實施方式下面通過實施例對本發(fā)明進行進一步的闡述，應(yīng)該明白的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對其內(nèi)容進行限定。本發(fā)明中所使用的聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇、乙醇、正辛醇均為分析純，碳化硅及碳化鋯粉料為市售產(chǎn)品。實施例1將粒徑為800nm左右的碳化硅粉料45g，聚甲基丙烯酸酯12g，聚乙二醇12g，無水乙醇231g混合于燒杯中，在60℃水浴條件下超聲分散1小時，結(jié)束后向燒杯中加入3g正辛醇，混合均勻，得到漿料倒入玻璃模具中，常溫干燥6小時后，得到碳化硅流延片，層厚約為0.8mm，同樣方法制得碳化鋯(碳化鋯粉料粒徑為30nm)流延片。碳化硅流延片及碳化鋯流延片經(jīng)過交替疊片后放入真空燒結(jié)爐中進行排膠，升溫速度為10℃/分鐘，在600℃時保溫1.5小時，得到層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷的生坯。最后，生坯放入石墨模具并在真空熱壓燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1650℃，燒結(jié)壓力為20MPa，保溫時間1.5小時，得樣品。樣品中顆粒生長良好，顆粒尺寸均勻，且可觀察到明顯的界面結(jié)合。層狀樣品相組成主要為SiC、ZrC，層間分布均勻如圖1所示，從圖1中可以看出碳化硅層厚約為200μm，碳化鋯層厚約為80μm，陶瓷層間界面清晰。對樣品進行斷裂實驗，觀察其斷裂過程，可以明顯觀察到裂紋偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，具體見圖2，證明層狀陶瓷可以改變裂紋傳播路徑，從而增加斷裂韌性，利用邊開口刃法測得斷裂韌性為9.8MPa·m1/2，密度為2.48g/m3。實施例2將粒徑為10μm左右的碳化硅粉料45g，聚甲基丙烯酸酯7.5g，聚乙二醇7.5g，無水乙醇240g混合于燒杯中，在60℃水浴條件下超聲分散1小時，結(jié)束后向燒杯中加入4.5g正辛醇，混合均勻，得到漿料倒入玻璃模具中，常溫干燥6小時后，得到碳化硅流延片，層厚為0.6mm，同樣方法制得碳化鋯(碳化鋯粉料粒徑為25nm)流延片。碳化硅流延片及碳化鋯流延片經(jīng)過交替疊片后放入真空燒結(jié)爐中進行排膠，升溫速度為8℃/分鐘，在600℃時保溫1.2小時，得到層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷的生坯。最后，生坯放入石墨模具并在真空熱壓燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1700℃，燒結(jié)壓力為10MPa，保溫時間1小時，得樣品。樣品中顆粒生長良好，顆粒尺寸均勻，且可觀察到明顯的界面結(jié)合。層狀樣品相組成主要為SiC、ZrC，碳化硅層厚約為110μm，碳化鋯層厚約為53μm，層間分布均勻。對樣品進行斷裂實驗，觀察其斷裂過程，可以明顯觀察到裂紋偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。證明層狀陶瓷可以改變裂紋傳播路徑，從而增加斷裂韌性，利用邊開口刃法測得斷裂韌性為8.8MPa·m1/2,密度為2.4g/m3。實施例3將粒徑為5μm左右的碳化硅粉料45g，聚甲基丙烯酸酯15g，聚乙二醇15g，無水乙醇225g混合于燒杯中，在60℃水浴條件下超聲分散1小時，結(jié)束后向燒杯中加入3.5g正辛醇，混合均勻，得到漿料倒入玻璃模具中，常溫干燥6小時后，得到碳化硅流延片，層厚為0.7mm，同樣方法制得碳化鋯(碳化鋯粉料粒徑為35nm)流延片。碳化硅流延片及碳化鋯流延片經(jīng)過交替疊片后放入真空燒結(jié)爐中進行排膠，升溫速度為5℃/分鐘，在600℃時保溫1.0小時，得到層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷的生坯。最后，生坯放入石墨模具并在真空熱壓燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1700℃，燒結(jié)壓力為15MPa，保溫時間1小時，得樣品。樣品中顆粒生長良好，顆粒尺寸均勻，且可觀察到明顯的界面結(jié)合。層狀樣品相組成主要為SiC、ZrC，碳化硅層厚約為300μm，碳化鋯層厚約為50μm，層間分布均勻。對樣品進行斷裂實驗，觀察其斷裂過程，可以明顯觀察到裂紋偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。證明層狀陶瓷可以改變裂紋傳播路徑，從而增加斷裂韌性，利用邊開口刃法測得斷裂韌性為8.5MPa·m1/2,密度為2.35g/m3。對比例1將粒徑為800nm左右的碳化硅粉料45g，聚乙烯醇縮丁醛12g，聚乙二醇12g，無水乙醇231g混合于燒杯中，在60℃水浴條件下超聲分散1小時，得到漿料倒入玻璃模具中，常溫干燥6小時后，得到碳化硅流延片，層厚約為0.8mm，同樣方法制得碳化鋯(碳化鋯粉料粒徑為30nm)流延片。碳化硅及碳化鋯薄片經(jīng)過交替疊片后放入真空燒結(jié)爐中進行排膠，升溫速度為升溫速度為10℃/分鐘，在600℃時保溫1小時，得到層狀碳化硅/碳化鋯超高溫陶瓷的生坯。最后，生坯放入石墨模具并在真空熱壓燒結(jié)爐中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1650℃，燒結(jié)壓力為20MPa，保溫時間1.5小時，得樣品。樣品中顆粒生長良好，但顆粒尺寸不均勻，少量地方無明顯的界面結(jié)合，斷裂韌性較本實施例提供的方法小，致密性差，利用邊開口刃法測得斷裂韌性約為7.6MPa·m1/2。對比例2將粒徑為800nm左右的碳化硅45g，聚甲基丙烯酸酯12g，聚乙二醇12g，無水乙醇231g混合于燒杯中，在60℃水浴條件下攪拌1小時使原料混合均勻，得到漿料倒入玻璃模具中，常溫干燥6小時后，得到碳化硅薄片，層厚約為0.8mm，同樣方法制得碳化鋯(碳化鋯粉末粒度為30nm)薄片。觀察發(fā)現(xiàn)，薄片表面和內(nèi)部留有許多凹坑和孔洞，流延片結(jié)構(gòu)疏松，密度低。經(jīng)檢測，密度僅為1.95g/cm3。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受實施例的限制，其它任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所做的改變、修飾、組合、替代、簡化均應(yīng)為等效替換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。