一種晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于定向多孔陶瓷材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]定向多孔陶瓷材料是一類結(jié)構(gòu)上氣孔呈定向分布特征的多孔陶瓷材料。定向多孔SiC陶瓷制備方法有采用冷凍干燥法、擠出成型和模板法等工藝。然而采用冷凍干燥法、擠出成型制備的定向多孔SiC陶瓷強(qiáng)度和孔筋密度不高；另外采用冷凍干燥法、擠出成型和模板法制備SiC多孔陶瓷時(shí)候，往往加入了大量燒結(jié)助劑來(lái)促進(jìn)燒結(jié)，大大降低純SiC陶瓷的高溫性能，還會(huì)引起多孔燒結(jié)制品發(fā)生較大體積收縮，不利于尺寸較大或形狀復(fù)雜工件制備。采用木材SiC多孔陶瓷制備復(fù)合材料時(shí)，微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余的大量C和Si則會(huì)對(duì)定向多孔結(jié)構(gòu)和性能有較大影響。
[0003]專利CN101323524則以碳化硅、碳粉、硅粉和氧化硅為原料利用爐內(nèi)沿軸向存在溫差分布特征制備了定向多孔SiC陶瓷。隨后，劉光亮等人利用爐內(nèi)溫度場(chǎng)定向分布特征制備了氣孔具有定向分布特征的定向多孔SiC陶瓷。隨后劉光亮、劉波波等先后采用Si02和Si3N4作為造孔劑制備了氣孔也具有定向分布特征的定向多孔SiC陶瓷，通過(guò)調(diào)節(jié)造孔劑的加入量實(shí)現(xiàn)了對(duì)定向多孔氣孔率的初步控制。其不足是和利用爐內(nèi)溫度場(chǎng)定向分布制備的定向多孔SiC陶瓷一樣，制備得到的樣品強(qiáng)度不是很高。申請(qǐng)人等采用Fe203作為造孔劑干壓成型燒結(jié)后制備了孔筋密度和強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于前者的定向多孔SiC陶瓷，通過(guò)調(diào)節(jié)造孔劑的加入量增加氣孔率從10%左右增加到80%，不同徑向孔徑尺寸也隨之增加了。
[0004]上述方法分別從兩個(gè)不同產(chǎn)生定向物質(zhì)傳輸角度出發(fā)制備了定向多孔陶瓷材料。首先采用爐內(nèi)軸向溫場(chǎng)分布特征制備的定向多孔SiC陶瓷成型工藝中特有的顆粒松散堆積導(dǎo)致制品強(qiáng)度不高。后續(xù)采用添加劑干壓成型工藝制備的定向多孔SiC陶瓷則具有較高強(qiáng)度，而且在后續(xù)采用不同造孔劑制備定向多孔實(shí)驗(yàn)研究中，申請(qǐng)人等采用硅粉作為造孔劑制備定向多孔SiC陶瓷時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多孔除了具有結(jié)構(gòu)定向分布特征外，晶界處則發(fā)現(xiàn)了大量金屬相，能譜分析結(jié)果顯示其組成為W0.63V0.73Τ?11.59Zr4.84。定向多孔SiC陶瓷晶界處含有大量金屬相是研究一大亮點(diǎn)。尤其是對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，界面結(jié)構(gòu)與性能直接影響復(fù)合材料的性能，例如界面的形成過(guò)程、界面層性質(zhì)、界面粘合、應(yīng)力傳遞行為等對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響規(guī)律。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷的制備方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明制備的復(fù)合材料具有較高強(qiáng)度、一定斷裂韌性、較高氣孔率等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也不存在界面改善添加金屬相，直接可以作為復(fù)合材料浸滲增強(qiáng)體。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一:將造孔劑加入SiC粉料中得到混合物A，然后向混合物A中加入酒精，混合物A和酒精質(zhì)量比為1:3，隨后采用球磨機(jī)進(jìn)行混料，混料結(jié)束后進(jìn)行干燥得到混合物B ；
[0009]步驟二:向步驟一得到的混合物B中加入PVA水溶液，混勻過(guò)120目篩后進(jìn)行造粒；隨后進(jìn)行干壓成型得到坯體，坯體干燥后在惰性環(huán)境下進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，即可獲得晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷。
[0010]進(jìn)一步地，步驟一中所述的造孔劑為硅粉，硅粉粒度為250?400目。
[0011]進(jìn)一步地，步驟一中所述的SiC粉料的平均粒度為6 μπι。
[0012]進(jìn)一步地，混合物Α中造孔劑的添加量為5?30wt.%。
[0013]進(jìn)一步地，步驟一中采用球磨機(jī)混料的時(shí)間為10?12h。
[0014]進(jìn)一步地，步驟二中PVA水溶液的質(zhì)量占混合物B及PVA水溶液總質(zhì)量的3?6 %，其中，PVA水溶液中PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?8%。
[0015]進(jìn)一步地，步驟二中干壓成型的壓力為4?6噸。
[0016]進(jìn)一步地，步驟二中坯體干燥的條件為100?120°C下保溫8?16h。
[0017]進(jìn)一步地，步驟二中燒結(jié)過(guò)程中壓力為0.5?0.9MPa，升溫速率80?120°C /min，升溫至2200?2300 °C后保溫1?2h，然后隨爐降溫至室溫。
[0018]—種晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0019]步驟一:將粒度為300目的硅粉作為造孔劑加入平均粒度為6微米的SiC粉料中得到混合物A，其中造孔劑的添加量為5wt.%，然后向混合物A中加入酒精，混合物A和酒精質(zhì)量比為1:3，隨后采用球磨機(jī)進(jìn)行混料12h，混料結(jié)束后采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行干燥得到混合物B ;
[0020]步驟二:向干燥后得到混合物B中加入PVA水溶液，PVA水溶液的質(zhì)量占混合物B及PVA水溶液總質(zhì)量的4%，其中，PVA水溶液中PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，混勻過(guò)120目篩進(jìn)行造粒；隨后進(jìn)行干壓成型得到尺寸為50mmX5mmX5mm的坯體，成型壓力4噸；將坯體放入干燥箱進(jìn)行干燥，干燥條件為100°C保溫16h，隨后采用西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的西安金雨機(jī)械電器廠型號(hào)為ZGRS-160/2.55的中頻電磁感應(yīng)真空高溫?zé)Y(jié)爐進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)氣氛為氬氣，爐壓0.8MPa，升溫速率100 °C /min，升溫至2200 °C后保溫lh，然后隨爐降溫至室溫，即可獲得晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0022]本發(fā)明方法采用硅粉作為造孔劑工藝簡(jiǎn)單，制備的多孔陶瓷具有氣孔定向分布特征，除此之外，顆粒接觸部位二次成核再結(jié)晶晶粒也具有定向生長(zhǎng)特征；采用本發(fā)明方法制得的定向多孔SiC陶瓷孔筋密度可達(dá)到2.78?2.95g/cm3，抗折強(qiáng)度可達(dá)到15.5?55.5MPa (強(qiáng)度測(cè)試壓力平行于軸向)，通過(guò)控制加入硅粉含量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)最終制品氣孔率一定程度上控制，氣孔率可以認(rèn)為是未加添加劑試樣氣孔和添加造孔劑體積百分比的疊加，制備出來(lái)的多孔陶瓷氣孔形狀和木材陶瓷類似，所不同之處在于采用硅粉作為添加劑制備的定向多孔陶瓷可以認(rèn)為是“蝌蚪狀”氣孔在三維上的一個(gè)排列。另外本發(fā)明方法采用硅粉作為造孔劑制備的定向多孔SiC陶瓷晶界具有金屬相，改變了多孔材料晶界結(jié)構(gòu)，大大改善了多孔材料斷裂韌性，一方面硅粉添加導(dǎo)致定向孔的形成，另一方面導(dǎo)致了殘余金屬相富集與境界上，改變了境界結(jié)構(gòu)，也為后續(xù)金屬浸滲制備復(fù)合材料帶來(lái)了便利。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是實(shí)施例1制備的樣品徑向剖面電子掃描形貌圖；
[0024]圖2是實(shí)施例1制備的樣品軸向剖面電子掃描形貌圖；
[0025]圖3是實(shí)施例1制備的樣品徑向微觀形貌中晶界金屬相微觀形貌；
[0026]圖4是實(shí)施例1制備的樣品金屬相能譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0028]—種晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0029]步驟一:以平均粒度為6微米的SiC粉料為主要原料，添加5?30wt.%粒度為250-400目的硅粉作為造孔劑，得到混合物A，然后向混合物A中加入酒精，混合物A和酒精質(zhì)量比為1:3，隨后采用球磨機(jī)進(jìn)行混料10-12h，混料結(jié)束后采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行干燥得到混合物B，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀可以有效避免在一般靜止干燥過(guò)程中不同顆粒因?yàn)槊芏炔町愐鸪两邓俣榷鴮?dǎo)致粉料分層和混合不均勻現(xiàn)象；
[0030]步驟二:向干燥后得到混合物B中加入適量PVA (聚乙烯醇)水溶液，PVA水溶液的質(zhì)量占混合物B及PVA水溶液總質(zhì)量的3?6%，其中，PVA水溶液中PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?8%，混勻過(guò)120目篩進(jìn)行造粒；隨后進(jìn)行干壓成型得到尺寸大體為50mmX5mmX5mm的坯體，成型壓力4-6噸，采用4-6噸壓力進(jìn)行成型可以促使顆粒之間實(shí)現(xiàn)更大程度上點(diǎn)接觸；將坯體放入干燥箱進(jìn)行干燥，干燥條件為100?120°C保溫8-16h，隨后采用西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的西安金雨機(jī)械電器廠型號(hào)為ZGRS-160/2.55的中頻電磁感應(yīng)真空高溫?zé)Y(jié)爐進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)氣氛為氬氣，爐壓0.5-0.9MPa，升溫速率80-120°C /min，升溫至2200_2300°C后保溫l_2h，然后隨爐降溫至室溫，即可獲得晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷。
[0031]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0032]實(shí)施例1
[0033]步驟一:以平均粒度為6微米的SiC粉料為主要原料，添加5wt.%粒度為300目的硅粉作為造孔劑，得到混合物A，然后向混合物A中加入酒精，混合物A和酒精質(zhì)量比為1:3，隨后采用球磨機(jī)進(jìn)行混料12h，混料結(jié)束后采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀進(jìn)行干燥得到混合物B ;
[0034]步驟二:向干燥后得到混合物B中加入適量PVA水溶液，PVA水溶液的質(zhì)量占混合物B及PVA水溶液總質(zhì)量的4%，其中，PVA水溶液中PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，混勻過(guò)120目篩進(jìn)行造粒；隨后進(jìn)行干壓成型得到尺寸大體為50mmX5mmX5mm的坯體，成型壓力4噸；將坯體放入干燥箱進(jìn)行干燥，干燥條件為100°C保溫16h，隨后采用西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的西安金雨機(jī)械電器廠型號(hào)為ZGRS-160/2.55的中頻電磁感應(yīng)真空高溫?zé)Y(jié)爐進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)氣氛為氬氣，爐壓0.8MPa，升溫速率100°C /min,升溫至2200°C后保溫lh，然后隨爐降溫至室溫，即可獲得晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷。
[0035]采用掃描電子顯微鏡對(duì)制備得到的定向多孔SiC陶瓷切割后不同徑向上微觀形貌進(jìn)行觀察；采用陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Dmax2200型X射線衍射儀對(duì)定向多孔陶瓷物相組成進(jìn)行研究；采用西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微米X射線三維成像系統(tǒng)對(duì)定向多孔陶瓷三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究；采用甘肅天水的萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)制備的多孔體不同徑向抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試；氣孔率、體積密度和孔筋密度測(cè)試則采用排水法，制得的定向多孔SiC陶瓷孔筋密度為2.95g/cm3，抗折強(qiáng)度為55.5MPa。
[0036]結(jié)果參見(jiàn)圖1至圖4，由圖1可以看出，典型樣品微觀結(jié)構(gòu)的徑向形態(tài)中，SiC相尺寸均勻