專利名稱：：一種提高ZrB₂-SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種提高陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法。
背景技術(shù)：
：二硼化鋯基陶瓷具有高熔點、高硬度、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、良好的中子控制能力等特點，可廣泛應(yīng)用于高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、復(fù)合材料、電極材料、薄膜材料、耐火材料、核控制材料等領(lǐng)域。超高溫陶瓷材料是指在高溫環(huán)境及反應(yīng)氣氛中能夠保持物理和化學(xué)穩(wěn)定性的一種特殊陶瓷材料。這類材料主要包括過渡金屬硼化物、碳化物以及氮化物，其熔點均超過300(TC。其中，過渡金屬硼化物憑借其高的熔點、熱導(dǎo)率、彈性模量以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，已成為最有優(yōu)勢的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料，在高超聲速飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行和火箭推進系統(tǒng)等極端環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用前景。其使用對象包括飛行器鼻錐、翼前緣、發(fā)動機熱端等各種關(guān)鍵部位或部件。但是二硼化鋯基超高溫陶瓷和其他陶瓷類似，具有高的脆性，抗熱沖擊性能差，在快速的溫度改變和高的溫差作用下，容易發(fā)生因熱應(yīng)力引起的熱沖擊破壞，這嚴(yán)重的限制了二硼化鋯基超高溫陶瓷在極端環(huán)境下(快速的溫度改變和高的溫差)的應(yīng)用。此外，由于二硼化鋯基超高溫陶瓷材料在加工過程中不可避免的引入微觀缺陷，使得陶瓷材料的強度低，當(dāng)陶瓷材料在受到外力作用下時，在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使陶瓷材料在低于自身強度的時候就發(fā)生災(zāi)難性的破壞。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有二硼化鋯基超高溫陶瓷材料抗熱沖擊性能差、強度差的問題，而提供了一種提高ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法。本發(fā)明提高ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法按照以下步驟進行一、按照重量份數(shù)比稱取7085份的硼化鋯粉，1530份的碳化硅粉；二、將步驟一稱取的硼化鋯粉和碳化硅粉置于星式球磨機中混合分散，分散介質(zhì)為無水乙醇，球磨機的轉(zhuǎn)速為180200r/min，球磨質(zhì)量比為4:1，無水乙醇的加入量為硼化鋯粉和碳化硅粉混合后總質(zhì)量的35倍；三、將步驟二得到的混合物置于6065t:條件下烘干得到混合粉料；四、混合粉料置于石墨模具中，在真空或惰性氣氛中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1900200(TC，燒結(jié)壓力為2832MPa，燒結(jié)時間為4060min，然后冷卻至室溫得到試樣；五、將試樣表面進行拋光處理，然后將試樣放入馬弗爐中，在1250145(TC的空氣環(huán)境下氧化2060min;六、將氧化后的試樣加熱到200400。C，保溫810min，即提高了ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度。本發(fā)明的方法通過預(yù)先氧化法，在二硼化鋯基超高溫陶瓷材料表面生成一層致密的氧化膜，彌合材料在制備和加工工程中的微觀缺陷，同時由于氧化導(dǎo)致表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，使得材料的強度有較大幅度的提高。氧化膜具有較低的導(dǎo)熱率，其可以降低二硼化鋯基超高溫陶瓷材料與所使用環(huán)境的熱交換系數(shù)，進而提高了陶瓷材料的抗熱沖擊性能。本發(fā)明方法得到的ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料與現(xiàn)有的二硼化鋯基超高溫陶瓷材料相比較，抗熱沖擊性能提高了50%左右，力學(xué)性能提高了30%左右，本發(fā)明的方法有效的提高了ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度。具體實施例方式具體實施方式一本實施方式提高ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法按照以下步驟進行一、按照重量份數(shù)比稱取7085份的硼化鋯粉，1530份的碳化硅粉；二、將步驟一稱取的硼化鋯粉和碳化硅粉置于星式球磨機中混合分散，分散介質(zhì)為無水乙醇，球磨機的轉(zhuǎn)速為180200r/min，球磨質(zhì)量比為4:1，無水乙醇的加入量為硼化鋯粉和碳化硅粉混合后總質(zhì)量的35倍；三、將步驟二得到的混合物置于6065t:條件下烘干得到混合粉料；四、混合粉料置于石墨模具中，在真空或惰性氣氛中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為19002000。C，燒結(jié)壓力為2832MPa，燒結(jié)時間為4060min，然后冷卻至室溫得到試樣；五、將試樣表面進行拋光處理，然后將試樣放入馬弗爐中，在1250145(TC的空氣環(huán)境下氧化2060min;六、將氧化后的試樣加熱到20040(TC，保溫810min，即提高了ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度。本實施方式步驟一中的硼化鋯粉和碳化硅粉均是從市場上購買得到的。本實施方式步驟二中的星式球磨機是從咸陽金宏通用機械有限公司購買得到的。本實施方式步驟五中將試樣切成36mmX4mmX3mm尺寸后再進行拋光處理。本實施方式得到的ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料與現(xiàn)有的二硼化鋯基超高溫陶瓷材料相比較，抗熱沖擊性能提高50%左右，力學(xué)性能提高30%左右，本實施方式有效的提高了ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度。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的硼化鋯粉的平均粒徑為1511111，硼化鋯粉的純度為98%99.9%。其它步驟及參數(shù)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或二不同的是步驟一中的碳化硅粉的平均粒徑為30nm2iim，碳化硅粉的純度為98%99.9%。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一或二相同。具體實施方式四本實施方式與具體實施方式三不同的是步驟二中球磨機的轉(zhuǎn)速為190r/min，無水乙醇的加入量為硼化鋯粉和碳化硅粉混合后總質(zhì)量的4倍。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式三相同。具體實施方式五本實施方式與具體實施方式一、二或四不同的是步驟三中混合物置于63t:條件下烘干。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一、二或四相同。具體實施方式六本實施方式與具體實施方式五不同的是步驟四中燒結(jié)溫度為195(TC，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)時間為50min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式五相同。具體實施方式七本實施方式與具體實施方式一、二、四或六不同的是步驟四中步驟四中惰性氣體為氬氣。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一、二或四相同。具體實施方式八本實施方式與具體實施方式七不同的是步驟五中在130(TC的空氣環(huán)境下氧化50min。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式七相同。具體實施方式九本實施方式提高ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的4方法按照以下步驟進行一、按照重量份數(shù)比稱取80份的硼化鋯粉，20份的碳化硅粉；二、將步驟一稱取的硼化鋯粉和碳化硅粉置于星式球磨機中混合分散，分散介質(zhì)為無水乙醇，球磨機的轉(zhuǎn)速為190r/min，球磨質(zhì)量比為4:1，無水乙醇的加入量為硼化鋯粉和碳化硅粉混合后總質(zhì)量的35倍；三、將步驟二得到的混合物置于63t:條件下烘干得到混合粉料；四、混合粉料置于石墨模具中，在氬氣氣氛中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為195(TC，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)時間為60min，然后冷卻至室溫得到試樣；五、將試樣表面進行拋光處理，然后將試樣放入馬弗爐中，在140(TC的空氣環(huán)境下氧化30min;六、將氧化后的試樣加熱到20(TC，保溫10min，即提高了ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度。本實施方式步驟一中碳化硅粉的平均粒徑為30nm，碳化硅粉的純度為99%。本實施方式步驟一中硼化鋯粉的平均粒徑為2ym，硼化鋯粉的純度為99%。本實施方式步驟一中的硼化鋯粉和碳化硅粉均是從市場上購買得到的。本實施方式步驟二中的星式球磨機是從咸陽金宏通用機械有限公司購買得到的。本實施方式步驟五中將試樣切成36mmX4mmX3mm尺寸后再進行拋光處理。本實施方式步驟四中得到的試樣(氧化前)平行、快速的扔進室溫水槽中，然后取出測試材料水淬后的殘余強度，殘余強度的結(jié)果如表1所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>本實施方式步驟五中氧化后的試樣(氧化后)平行、快速的扔進室溫水槽中，然后取出測試材料水淬后的殘余強度，殘余強度的結(jié)果如表2所示。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>從表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出試樣的強度，從氧化前的820MPa提高到980MPa，提高了20%。根據(jù)從表1和表2的數(shù)據(jù)可以計算出臨界溫差，氧化后試樣的臨界溫差從氧化前的380。C提高到了620。C，提高了63.2%。本實施方式得到的ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度好。具體實施方式十本實施方式提高ZrB2_SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法按照以下步驟進行一、按照重量份數(shù)比稱取70份的硼化鋯粉，30份的碳化硅粉；二、將步驟一稱取的硼化鋯粉和碳化硅粉置于星式球磨機中混合分散，分散介質(zhì)為無水乙醇，球磨機的轉(zhuǎn)速為190r/min，球磨質(zhì)量比為4:1，無水乙醇的加入量為硼化鋯粉和碳化硅粉混合后總質(zhì)量的35倍；三、將步驟二得到的混合物置于63t:條件下烘干得到混合粉料；四、混合粉料置于石墨模具中，在氬氣氣氛中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為195(TC，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)時間為60min，然后冷卻至室溫得到試樣；五、將試樣表面進行拋光處理，然后將試樣放入馬弗爐中，在130(TC的空氣環(huán)境下氧化60min;六、將氧化后的試樣加熱到30(TC，保溫10min，即提高了ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度。本實施方式步驟一中碳化硅粉的平均粒徑為30nm，碳化硅粉的純度為99%。本實施方式步驟一中硼化鋯粉的平均粒徑為2ym，硼化鋯粉的純度為99%。本實施方式步驟五中將試樣切成36mmX4mmX3mm尺寸后再進行拋光處理。本實施方式步驟四中得到的試樣(氧化前)平行、快速的扔進室溫水槽中，然后取出測試材料水淬后的殘余強度，殘余強度的結(jié)果如表3所示。表3氧化前水槽溫度rc)室溫200300350380390400410強度(MPa)1008±111980±120985±128970±140,±180570±345460±320220±130本實施方式步驟五中氧化后的試樣(氧化后)平行、快速的扔進室溫水槽中，然后取出測試材料水淬后的殘余強度，殘余強度的結(jié)果如表4所示。表4氧化后水槽溫度rc)室溫300400500600610620650700強度(MPa)1170±751152±781161±851080±125975±160520±360430±3201卯±138170±140從表3和表4中的數(shù)據(jù)可以看出，試樣的強度，從氧化前的1108MPa提高到1170MPa，提高了16.1%。根據(jù)表3和表4中的數(shù)據(jù)可以計算出臨界溫差，計算結(jié)果顯示氧化后試樣的臨界溫差從氧化前的38(TC提高到了60(TC，提高了57.9%。具體實施方式i^一本實施方式提高ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法按照以下步驟進行一、按照重量份數(shù)比稱取80份的硼化鋯粉，20份的碳化硅粉；二、將步驟一稱取的硼化鋯粉和碳化硅粉置于星式球磨機中混合分散，分散介質(zhì)為無水乙醇，球磨機的轉(zhuǎn)速為190r/min，球磨質(zhì)量比為4:1，無水乙醇的加入量為硼化鋯粉和碳化硅粉混合后總質(zhì)量的35倍；三、將步驟二得到的混合物置于63t:條件下烘干得到混合粉料；四、混合粉料置于石墨模具中，在氬氣氣氛中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為195(TC，燒結(jié)壓6力為30MPa，燒結(jié)時間為60min，然后冷卻至室溫得到試樣；五、將試樣表面進行拋光處理，然后將試樣放入馬弗爐中，在135(TC的空氣環(huán)境下氧化45min;六、將氧化后的試樣加熱到35(TC，保溫10min，即提高了ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度。本實施方式步驟一中碳化硅粉的平均粒徑為30nm，碳化硅粉的純度為99%。本實施方式步驟一中硼化鋯粉的平均粒徑為2ym，硼化鋯粉的純度為99%。本實施方式步驟五中將試樣切成36mmX4mmX3mm尺寸后再進行拋光處理。本實施方式步驟四中得到的試樣(氧化前)平行、快速的扔進室溫水槽中，然后取出測試材料水淬后的殘余強度，殘余強度的結(jié)果如表5所示。表5氧化前水槽溫度rc)室溫200300350360370400強度(MPa)580±107572±120560±135475±170270±220230±190165±135本實施方式步驟五中氧化后的試樣(氧化后)平行、快速的扔進室溫水槽中，然后取出測試材料水淬后的殘余強度，殘余強度的結(jié)果如表6所示。表6氧化后水槽溫度rc)室溫300400500550560570600700強度(MPa)745±80730±85738土80710±125580±150530±160330±240116±92110±90從表5和表6中的數(shù)據(jù)可以看出，試樣的強度，從氧化前的1008MPa提高到1170MPa，提高了28.4%。根據(jù)表5和表6中的數(shù)據(jù)可以計算出臨界溫差，計算結(jié)果顯示氧化后試樣的臨界溫差從氧化前的35(TC提高到了56(TC，提高了60%%。具體實施方式十二本實施方式提高ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法按照以下步驟進行一、按照重量份數(shù)比稱取85份的硼化鋯粉，15份的碳化硅粉；二、將步驟一稱取的硼化鋯粉和碳化硅粉置于星式球磨機中混合分散，分散介質(zhì)為無水乙醇，球磨機的轉(zhuǎn)速為190r/min，球磨質(zhì)量比為4:1，無水乙醇的加入量為硼化鋯粉和碳化硅粉混合后總質(zhì)量的35倍；三、將步驟二得到的混合物置于63t:條件下烘干得到混合粉料；四、混合粉料置于石墨模具中，在氬氣氣氛中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為200(TC，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)時間為60min，然后冷卻至室溫得到試樣；五、將試樣表面進行拋光處理，然后將試樣放入馬弗爐中，在145(TC的空氣環(huán)境下氧化20min;六、將氧化后的試樣加熱到40(TC，保溫10min，即提高了ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度。7本實施方式步驟一中碳化硅粉的平均粒徑為30nm，碳化硅粉的純度為99%。本實施方式步驟一中硼化鋯粉的平均粒徑為2ym，硼化鋯粉的純度為99%。本實施方式步驟五中將試樣切成36mmX4mmX3mm尺寸后再進行拋光處理。本實施方式步驟四中得到的試樣(氧化前)平行、快速的扔進室溫水槽中，然后取出測試材料水淬后的殘余強度，殘余強度的結(jié)果如表7所示。表7<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本實施方式步驟五中氧化后的試樣(氧化后)平行、快速的扔進室溫水槽中，然后取出測試材料水淬后的殘余強度，殘余強度的結(jié)果如表8所示。表8<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>從表7和表8中的數(shù)據(jù)可以看出，試樣的強度，試樣的強度，從氧化前的500MPa提高到620MPa，提高了24%。根據(jù)表7和表8中的數(shù)據(jù)可以計算出臨界溫差，計算結(jié)果顯示氧化后試樣的臨界溫差從氧化前的36(TC提高到了54(TC，提高了50%%。權(quán)利要求一種提高ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法，其特征在于提高ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法按照以下步驟進行一、按照重量份數(shù)比稱取70～85份的硼化鋯粉，15～30份的碳化硅粉；二、將步驟一稱取的硼化鋯粉和碳化硅粉置于星式球磨機中混合分散，分散介質(zhì)為無水乙醇，球磨機的轉(zhuǎn)速為180～200r/min，球磨質(zhì)量比為4∶1，無水乙醇的加入量為硼化鋯粉和碳化硅粉混合后總質(zhì)量的3～5倍；三、將步驟二得到的混合物置于60～65℃條件下烘干得到混合粉料；四、混合粉料置于石墨模具中，在真空或惰性氣氛中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1900～2000℃，燒結(jié)壓力為28～32MPa，燒結(jié)時間為40～60min，然后冷卻至室溫得到試樣；五、將試樣表面進行拋光處理，然后將試樣放入馬弗爐中，在1250～1450℃的空氣環(huán)境下氧化20～60min；六、將氧化后的試樣加熱到200～400℃，保溫8～10min，即提高了ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法，其特征在于步驟一中的硼化鋯粉的平均粒徑為15iim，硼化鋯粉的純度為98%99.9%。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種提高ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法，其特征在于步驟一中的碳化硅粉的平均粒徑為30nm2ym，碳化硅粉的純度為98%99.9%。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種提高ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法，其特征在于步驟二中球磨機的轉(zhuǎn)速為190r/min，無水乙醇的加入量為硼化鋯粉和碳化硅粉混合后總質(zhì)量的4倍。5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的一種提高ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法，其特征在于步驟三中混合物置于63t:條件下烘干。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種提高ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法，其特征在于步驟四中燒結(jié)溫度為195(TC，燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)時間為50min。7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或6所述的一種提高ZrB廠SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法，其特征在于步驟四中惰性氣體為氬氣。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種提高ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法，其特征在于步驟五中在130(TC的空氣環(huán)境下氧化50min。全文摘要一種提高ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法，它涉及一種提高陶瓷材料抗熱沖擊和強度的方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有二硼化鋯基超高溫陶瓷材料抗熱沖擊性能差、強度差的問題。本發(fā)明方法一、稱取原料；二、球磨分散；三、烘干；四、燒結(jié)；五、氧化；六、加熱保溫，即提高了ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊和強度。本發(fā)明方法有效的提高了ZrB2-SiC超高溫陶瓷材料抗熱沖擊性和強度，與現(xiàn)有的二硼化鋯基超高溫陶瓷材料相比較，抗熱沖擊性能提高50％左右，力學(xué)性能提高30％左右。文檔編號C04B35/58GK101747047SQ200910073080公開日2010年6月23日申請日期2009年10月21日優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日發(fā)明者孟松鶴,張幸紅,王智,胡平,韓杰才申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)