專利名稱：一種鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐超高溫陶瓷及其制備方法，特別提供了一種鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化硅(Zr2[Al (Si) ]4C5-ZrB2-SiC)復(fù)合材料，以及原位反應(yīng)熱壓制備鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
鋯鋁硅碳(Zr2[Al(Si)]4C5)陶瓷是新型的耐超高溫多元層狀碳化物陶瓷(J. SolidState Chem.(固態(tài)化學(xué)雜志)180 (2007) 1809; J. Am. Ceram. Soc.(美國(guó)陶瓷協(xié)會(huì)志)(2009))。它綜合了高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蝕、高電導(dǎo)率、較強(qiáng)的破壞容忍 性等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、核工業(yè)和超高溫結(jié)構(gòu)件等高新技術(shù)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。但作為一種結(jié)構(gòu)材料，它的強(qiáng)度和韌性偏低，抗氧化性能較差，限制了其廣泛應(yīng)用。通過(guò)引入增強(qiáng)相能有效的提高Zr2[Al(Si)]4C5材料的綜合性能。目前已有He等通過(guò)向Zr2[Al (Si)J4C5基體中引入SiC有效的提高了基體的力學(xué)性能和抗氧化性能，(Ling-FengHe，F(xiàn)ang-Zhi Li，Xing-Po Lu, Yi-Wang Baoj Yan-Chun Zhou Microstructure，mechanicaI，thermal，and oxidation properties of a Zr2 [Al(Si) ] 4C5 - SiC composite preparedby in situ reaction/hot-pressing[J]. Journal of the European Ceramic Society30(2010)2147 - 2154)。但釆用一種強(qiáng)韌相，補(bǔ)強(qiáng)增韌機(jī)構(gòu)單一，改性效果有限。顧巍等(顧巍，楊建，丘泰，祝社民。原位合成(TiB2+TiC)/Ti3SiC2復(fù)合材料及其性能研究[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2010，25 (10) :1-6)通過(guò)向Ti3SiC2基體中同時(shí)引入TiBjP TiC兩種增強(qiáng)相，使材料的強(qiáng)度、韌性、硬度、抗氧化性能和抗摩擦磨損性能均得到較大幅度提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種綜合性能好、操作簡(jiǎn)單、工藝條件容易控制、成本低的鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料，本發(fā)明的另一目的是提供上述復(fù)合材料的制備方法，可以解決Zr2 [Al (Si)J4C5陶瓷硬度、強(qiáng)度、韌性偏低的問(wèn)題，并提高其抗氧化性能。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料，其特征在于由Zr2[Al(Si) ]4C5基體和ZrB2、SiC兩種增強(qiáng)相組成；其中ZrB2占復(fù)合材料總體積的
7.5% 22. 5%, SiC占復(fù)合材料總體積的2. 5% 7. 5%。本發(fā)明還提供了上述鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料的制備方法，具體步驟如下:以ZrH2粉、Al粉、Si粉、C粉和B4C粉為原料，其中ZrH2:Al:Si :CiB4C的摩爾比為2:(
2.1-2. 6) : (0. 47-0. 71) : (2. 92-3. 54) : (0. 12-0. 41)，原料粉經(jīng)過(guò)物理機(jī)械方法混合后裝入石墨模具冷壓成型，在通有Ar氣作為保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率15-20°C/min，燒結(jié)溫度1800-1900°C，燒結(jié)時(shí)間lh-2h、燒結(jié)壓強(qiáng)為25-30MPa，保溫結(jié)束后斷電隨爐冷卻。優(yōu)選ZrH2粉、Si粉的粒度均為-400目，Al粉粒度為-200目，C粉的粒度為-1200目，B4C粉的粒度范圍為3 10 u m ;采用本發(fā)明方法獲得的鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料大小為64mmX67mmX5. 5mm ;優(yōu)選所述物理機(jī)械混合方法為滾筒磨球磨；混合時(shí)間為10-24h。優(yōu)選冷壓成型施加的壓強(qiáng)為3-6MPa。有益效果I.本發(fā)明選用的原料簡(jiǎn)單，分別是ZrH2粉、Al粉、Si粉、C粉、B4C粉。2.本發(fā)明采用原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)，材料合成與燒結(jié)致密化同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)ZrH2高溫下分解產(chǎn)生的Zr與Al、Si、C反應(yīng)生成Zr2 [Al (Si) ] 4C5，同時(shí)Zr與Si和B4C反應(yīng)生成ZrB2和SiC，從而獲得致密的鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料。3.采用本發(fā)明方法獲得的復(fù)合材料在室溫下具有比單相Zr2[Al(Si)]4C5陶瓷更高的強(qiáng)度和韌性。


圖I 為 Zr2 [Al (Si) ]4C5-20Vol. %(ZrB2+SiC)復(fù)合材料的 X-射線衍射圖譜；圖2 為 Zr2 [Al (Si) ]4C5-30Vol. %(ZrB2+SiC)復(fù)合材料的 X-射線衍射圖譜；圖3為Zr2 [Al (Si) ]4C5-30Vol. %(ZrB2+SiC)復(fù)合材料的拋光表面電鏡照片；圖4為Zr2 [Al (Si) ]4C5-30Vol. %(ZrB2+SiC)復(fù)合材料的斷面掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例詳述本發(fā)明。實(shí)施例I.按摩爾比ZrH2 A1 Si C B4C=2:2. 53:0. 47:3. 43:0. 12 稱取 ZrH2 粉(-400 目)、Al粉(-200目)、Si粉(-400目)、C粉(-1200目)、B4C粉(IOym)后，于聚乙烯罐中干混IOh后置于石墨模具中在3-6MPa的壓強(qiáng)下冷壓成型，在通有氬氣作為保護(hù)氣的熱壓爐中以15°C /min的升溫速率升至1850°C原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)2h，熱壓壓強(qiáng)25MPa。獲得的是Zr2 [Al(Si) ]4C5-10Vol.%(ZrB2+SiC)復(fù)合材料，其中ZrBjP SiC的體積分?jǐn)?shù)分別為
7.5%和2. 5%，所得的塊體材料的致密度達(dá)99. 9%，ZrB2, SiC兩種增強(qiáng)相均勻地彌散分布在Zr2[Al (Si) ]4C5基體中。錯(cuò)招娃碳-硼化錯(cuò)-碳化娃復(fù)合材料大小為64mmX67mmX5. 5mm。實(shí)施例2.按摩爾比ZrH2 A1 Si C B4C=2:2. 60:0. 64:3. 54:0. 28 稱取 ZrH2 粉(-400 目)、Al粉(-200目)、Si粉(-400目)、C粉(-1200目)、B4C粉(3 y m)后，于聚乙烯罐中干混24h后置于石墨模具中在3-6MPa的壓強(qiáng)下冷壓成型，在通有氬氣作為保護(hù)氣的熱壓爐中以20°C /min的升溫速率升至1900°C原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)lh，熱壓壓強(qiáng)30MPa。獲得的是Zr2[Al (Si)]4C5-20Vol. %(ZrB2+SiC)復(fù)合材料，其中ZrB2和SiC的體積分?jǐn)?shù)分別為15%和5%，所得塊體材料的致密度達(dá)99. 9%，ZrB2, SiC兩種增強(qiáng)相均勻地彌散分布在Zr2[Al(Si)]4C5基體中，復(fù)合材料的X-射線衍射圖譜如圖I所示。鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化娃復(fù)合材料大小為64mmX 67mmX 5. 5mm。實(shí)施例3.按摩爾比ZrH2 A1 Si C B4C=2:2. 15:0. 70:2. 92:0. 40 稱取 ZrH2 粉(-400 目)、Al粉(-200目)、Si粉(-400目)、C粉(-1200目)、B4C粉(3 10 y m)后，于聚乙烯罐中干混24h后置于石墨模具中在3-6MPa的壓強(qiáng)下冷壓成型，在通有氬氣作為保護(hù)氣的熱壓爐中以15°C /min的升溫速率升至1850°C原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)lh，熱壓壓強(qiáng)30MPa。獲得的是Zr2[Al (Si)]4C5-30Vol. %(ZrB2+SiC)復(fù)合材料，其中ZrB2和SiC的體積分?jǐn)?shù)分別為22. 5%和7. 5%，所得塊體材料的致密度達(dá)99. 9%，ZrB2, SiC兩種增強(qiáng)相均勻地彌散分布在Zr2 [Al (Si) J4C5基體中，錯(cuò)招娃碳-硼化錯(cuò)-碳化娃復(fù)合材料大小在64mmX67mmX 5. 5mm。相應(yīng)的X-射線衍射圖譜、拋光表面和斷面的掃描電鏡照片，分別如圖2-4所示。該復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度為621MPa ;斷裂韌性為4. 88MPa m1/2，維氏硬度為16. 7GPa。比較例 采用與實(shí)施例3相同的工藝制備了單相Zr2 [Al (Si) ] 4C5材料，其抗彎強(qiáng)度為369MPa，斷裂韌性為4. 06MPa *m1/2,維氏硬度為11. 7GPa。由此可見(jiàn)，單相Zr2 [Al (Si)J4C5材料的強(qiáng)度、韌性及硬度都低于鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料。
權(quán)利要求
1.一種鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料，其特征在于由Zr2 [Al(Si) ]4C5基體和ZrB2, SiC兩種增強(qiáng)相組成；其中ZrB2占復(fù)合材料總體積的7. 59^22. 5%，SiC占復(fù)合材料總體積的2. 5% 7. 5%。
2.一種制備如權(quán)利要求I所述的鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料的方法，其具體步驟為以ZrH2粉、Al粉、Si粉、C粉和B4C粉為原料，其中ZrH2:Al:Si :C = B4C的摩爾比為2(2. 1-2. 6) : (0. 47-0. 71) : (2. 92-3. 54) : (0. 12-0. 41)，原料粉經(jīng)過(guò)物理機(jī)械方法混合后裝入石墨模具冷壓成型，在通有Ar氣作為保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率15-20°C/min，燒結(jié)溫度1800-1900°C，燒結(jié)時(shí)間lh-2h、燒結(jié)壓強(qiáng)為25-30MPa，保溫結(jié)束后斷電隨爐冷卻。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于ZrH2粉和Si粉的粒度均為-400目，Al粉粒度為-200目，C粉的粒度為-1200目，B4C粉的粒度范圍為3 10 u m。
4.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述物理機(jī)械方法混合為滾筒磨球磨；混合時(shí)間為10-24h。
全文摘要
本發(fā)明涉及耐超高溫陶瓷及其制備方法，特別提供了一種鋯鋁硅碳-硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料及其制備方法。其特征在于復(fù)合材料由Zr2[Al(Si)]4C5基體和ZrB2、SiC兩種增強(qiáng)相組成；其中ZrB2占復(fù)合材料總體積的7.5%~22.5%，SiC占復(fù)合材料總體積的2.5%~7.5%。其制備步驟為將ZrH2粉、Al粉、Si粉、C粉、B4C按ZrH2∶Al:Si:C:B4C的摩爾比為2:(2.1-2.6):(0.47-0.71):(2.92-3.54):(0.12-0.41)配料。原料經(jīng)過(guò)物理機(jī)械方法混合10-24h，裝入石墨模具中冷壓成型，在通有Ar氣作為保護(hù)氣的熱壓爐中加熱至1800-1900℃原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)1h-2h，燒結(jié)壓強(qiáng)為25-30MPa。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，材料性能優(yōu)異。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102745993SQ20121026071
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
發(fā)明者丘泰, 余磊, 楊建 , 郭冬冬 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)