專利名稱：一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
超高溫陶瓷材料作為材料中的重要一類，是一種非常有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料，其 能夠在高溫環(huán)境下(例如大于M00°c )以及反應(yīng)氣氛中(例如原子氧環(huán)境、等離子體)保 持物理和化學(xué)穩(wěn)定性。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(diǎn)均超 過3000°C。其中，二硼化鋯(ZrB2)因其具有較低的理論密度(6. 09g/cm3)而被認(rèn)為是極有 潛力的航空材料之一。二硼化鋯具有陶瓷和金屬的雙重特性，如高的熔點(diǎn)3245°C、高硬度 (莫氏硬度為9;顯微硬度為22. IGPa)、優(yōu)良的導(dǎo)電(電導(dǎo)率常溫下為lOk/m)和導(dǎo)熱(熱 導(dǎo)率為24. 3ff/(m ·Κ))等性能，以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在高超聲速長時(shí)飛行、大氣層再入、 跨大氣層飛行和火箭推進(jìn)系統(tǒng)等極端環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用前景。但基陶瓷材料有 一個(gè)共同的特點(diǎn)就是低的斷裂韌性(一般在2. 3 5. OMPa ·πι"2)，致使材料抗彎強(qiáng)度差，同 時(shí)也降低了抗熱震性，限制了其使用，而且由于二硼化物基陶瓷材料晶粒間以強(qiáng)共價(jià)鍵連 接，燒結(jié)時(shí)原子擴(kuò)散緩慢，導(dǎo)致材料極難燒結(jié)。提高材料的可燒結(jié)性以及改善陶瓷的本征脆 性是目前的研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)。目前，研究最多的是在二硼化鋯基體中加入彌散的SiC顆粒。 SiC加入可以顯著提高材料的抗氧化性能，并抑制基體顆粒長大從而有效提高材料的抗彎 強(qiáng)度。但是，由于不具備明顯的長徑比特征，顆粒的引入對材料韌性的提高并不明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有方法制備的陶瓷基復(fù)合材料存在斷裂韌性低和 難燒結(jié)的問題，而提供一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料及其 制備方法。高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料按體積比由55% 75%的二硼化鋯粉末、20%的碳化硅粉末和5% 25%的二氧化鋯纖維制成；其中二硼化 鋯粉末的體積純度大于98%，粒徑為2 μ m ；碳化硅粉末的體積純度大于98%，粒徑為1 μ m ； 二氧化鋯纖維的體積純度大于98%，直徑為5 10 μ m，長度為100 500 μ m。高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料的制備方法按以下步驟 進(jìn)行一、按體積比稱取 75%的二硼化鋯粉末、20%的碳化硅粉末和5% 25%的 二氧化鋯纖維，球磨濕混后得漿料；二、漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上蒸發(fā)烘干，然后研磨，得混合粉 料；三、將混合粉料置于溫度為1800 1950°C、壓力為20 30MPa的真空條件下保溫?zé)Y(jié) 50 70min，隨爐冷卻后取出，即得高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯_碳化硅_氧化鋯陶瓷基復(fù)合材 料；其中步驟一中二硼化鋯粉末的體積純度大于98%，粒徑為2μπι ；碳化硅粉末的體積純 度大于98%，粒徑為1 μ m ；二氧化鋯纖維的體積純度大于98%，直徑為5 10 μ m，長度為 100 500 μ m。
本發(fā)明在陶瓷基體中引入&02纖維同時(shí)達(dá)到纖維增韌和相變增韌的效果，是利用 了 &02從四方相(t-&02)到單斜相(m-&02)的馬氏體相變效應(yīng)來改善傳統(tǒng)陶瓷的韌性本發(fā)明將&02纖維引入到二硼化鋯_碳化硅超高溫陶瓷材料體系中，以改善超 高溫陶瓷材料的脆性及抗熱震性能，提高材料使用的可靠性，原理為&02纖維的加入，材 料在斷裂過程中，裂紋的擴(kuò)展在遇到纖維時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、分叉，以及&02纖維的拔出、 斷裂、相變等，這些均會(huì)消耗大量的能量，從而使得材料的斷裂韌性大幅提高。本發(fā)明制 備的陶瓷復(fù)合材料，易燒結(jié)，其斷裂韌性為5. 69 6. 82MPa · m1/2,抗彎強(qiáng)度為700. 86 723. 15MPa,高于國內(nèi)外報(bào)道的同體系碳化硅顆粒增強(qiáng)硼化物基超高溫陶瓷材料。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯_碳化硅_氧化鋯陶瓷基復(fù) 合材料按體積比由55 % 75 %的二硼化鋯粉末、20 %的碳化硅粉末和5 % 25 %的二氧化 鋯纖維制成；其中二硼化鋯粉末的體積純度大于98%，粒徑為2μπι;碳化硅粉末的體積純 度大于98%，粒徑為1 μ m ；二氧化鋯纖維的體積純度大于98%，直徑為5 10 μ m，長度為 100 500 μ m。本實(shí)施方式中二硼化鋯粉末、碳化硅粉末和二氧化鋯纖維均為現(xiàn)有市售的材料。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是高強(qiáng)高韌性的二硼化 鋯_碳化硅_氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料按體積比由55%的二硼化鋯粉末、20%的碳化硅粉末 和25%的二氧化鋯纖維制成。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是高強(qiáng)高韌性的二硼化 鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料按體積比由75%的二硼化鋯粉末、20%的碳化硅粉末 和5%的二氧化鋯纖維制成。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是高強(qiáng)高韌性的二硼化 鋯_碳化硅_氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料按體積比由60 % 70 %的二硼化鋯粉末、20 %的碳化 硅粉末和10% 20%的二氧化鋯纖維制成。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是高強(qiáng)高韌性的二硼化 鋯_碳化硅_氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料按體積比由65%的二硼化鋯粉末、20%的碳化硅粉末 和15%的二氧化鋯纖維制成。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯_碳化硅_氧化鋯陶瓷基復(fù) 合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、按體積比稱取55% 75%的二硼化鋯粉末、20% 的碳化硅粉末和5% 25%的二氧化鋯纖維，球磨濕混后得漿料；二、漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上 蒸發(fā)烘干，然后研磨，得混合粉料；三、將混合粉料置于溫度為1800 1950°C、壓力為20 30MPa的真空條件下保溫?zé)Y(jié)50 70min，隨爐冷卻后取出，即得高強(qiáng)高韌性的二硼化 鋯_碳化硅_氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料；其中步驟一中二硼化鋯粉末的體積純度大于98%， 粒徑為2 μ m ；碳化硅粉末的體積純度大于98 %，粒徑為1 μ m ；二氧化鋯纖維的體積純度大 于98%，直徑為5 10 μ m，長度為100 500 μ m。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六不同的是步驟一中按體積比稱取 60%的二硼化鋯粉末、20%的碳化硅粉末和20%的二氧化鋯纖維。其它步驟及參數(shù)與具體 實(shí)施方式六相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六或七不同的是步驟一中球磨濕混 采用行星式球磨機(jī)，分散劑為無水乙醇，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200 400r/min，磨球氧化鋯磨球， 球料比為4 1。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
六或七相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六至八之一不同的是步驟二中蒸發(fā) 烘干的溫度為65°C。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
六至八之一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六至九之一不同的是步驟二中研磨 采用瑪瑙研缽反復(fù)研磨。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
六至九之一相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六至十之一不同的是步驟三中將 混合粉料置于溫度為1800°C、壓力為30MPa的真空條件下保溫?zé)Y(jié)50min。其它步驟及參 數(shù)與具體實(shí)施方式
六至十之一相同。
具體實(shí)施方式
十二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六至十之一不同的是步驟三中將 混合粉料置于溫度為1950°C、壓力為20MPa的真空條件下保溫?zé)Y(jié)50min。其它步驟及參 數(shù)與具體實(shí)施方式
六至十之一相同。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六至十之一不同的是步驟三中 將混合粉料置于溫度為1880 1930°C、壓力為22 ^MPa的真空條件下保溫?zé)Y(jié)55 65min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
六至十之一相同。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六至十之一不同的是步驟三中將 混合粉料置于溫度為1900°C、壓力為25MPa的真空條件下保溫?zé)Y(jié)60min。其它步驟及參 數(shù)與具體實(shí)施方式
六至十之一相同。
具體實(shí)施方式
十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
六至十四之一不同的是步驟三中 真空條件的真空度為5Pa。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
六至十四之一相同。
具體實(shí)施方式
十六本實(shí)施方式高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基 復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、按體積比稱取70%的二硼化鋯粉末、20%的碳 化硅粉末和10%的二氧化鋯纖維，球磨濕混后得漿料；二、漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上蒸發(fā)烘干， 然后研磨，得混合粉料；三、將混合粉料置于溫度為1900°C、壓力為25MPa的真空條件下保 溫?zé)Y(jié)65min，隨爐冷卻后取出，即得高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯_碳化硅_氧化鋯陶瓷基復(fù)合 材料；其中步驟一中二硼化鋯粉末的體積純度大于98%，粒徑為2μπι;碳化硅粉末的體積 純度大于98%，粒徑為1 μ m ；二氧化鋯纖維的體積純度大于98%，直徑為5 10 μ m，長度 為 100 500 μ m。本實(shí)施方式中所得高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料切割 成36mmX4mmX3mm的試樣，并對試樣表面進(jìn)行拋光處理后，進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)性能 測試；微觀結(jié)構(gòu)分析采用掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)，在試樣表面和斷面均有 二氧化鋯纖維存在，且纖維均勻分布；力學(xué)性能測試結(jié)果斷裂韌性為5. 69MPa · m"2，抗彎 強(qiáng)度為700. 86MPa,比現(xiàn)有的二硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料的斷裂韌性5. 43MPa ·π^2，抗彎強(qiáng) 度618. 15MPa均高，可見本實(shí)施方式中所得高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯_碳化硅_氧化鋯陶瓷 基復(fù)合材料的斷裂韌性高，抗彎強(qiáng)度高，材料的抗熱震性能良好。
具體實(shí)施方式
十七本實(shí)施方式高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基 復(fù)合材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、按體積比稱取65%的二硼化鋯粉末、20%的碳 化硅粉末和15%的二氧化鋯纖維，球磨濕混后得漿料；二、漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上蒸發(fā)烘干，然后研磨，得混合粉料；三、將混合粉料置于溫度為1850°C、壓力為30MPa的真空條件下保 溫?zé)Y(jié)60min，隨爐冷卻后取出，即得高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合 材料；其中步驟一中二硼化鋯粉末的體積純度大于98%，粒徑為2μπι ；碳化硅粉末的體積 純度大于98 %，粒徑為1 μ m ；二氧化鋯纖維的體積純度大于98 %，直徑為5 10 μ m，長度 為 100 500 μ m。 本實(shí)施方式中所得高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯_碳化硅_氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料切割 成36mmX4mmX3mm的試樣，并對試樣表面進(jìn)行拋光處理后，進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)性能 測試；微觀結(jié)構(gòu)分析采用掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)，在試樣表面和斷面內(nèi)均 有二氧化鋯纖維存在，且纖維均勻分布；力學(xué)性能測試結(jié)果斷裂韌性為6. 82MPa · m1/2，抗 彎強(qiáng)度為723. 15MPa,比現(xiàn)有的二硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料的斷裂韌性5. 43MPa ·πι"2，抗彎 強(qiáng)度618. 15MPa均高，可見本實(shí)施方式中所得高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶 瓷基復(fù)合材料的斷裂韌性高，抗彎強(qiáng)度高，材料的抗熱震性能良好。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料，其特征在于高強(qiáng)高 韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料按體積比由55% 75%的二硼化鋯粉 末、20%的碳化硅粉末和5% 25%的二氧化鋯纖維制成；其中二硼化鋯粉末的體積純度 大于98%，粒徑為2 μ m ；碳化硅粉末的體積純度大于98%，粒徑為1 μ m ；二氧化鋯纖維的 體積純度大于98 %，直徑為5 10 μ m，長度為100 500 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合 材料，其特征在于高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料按體積比由 60% 70%的二硼化鋯粉末、20%的碳化硅粉末和10% 20%的二氧化鋯纖維制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材 料，其特征在于高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料按體積比由65% 的二硼化鋯粉末、20%的碳化硅粉末和15%的二氧化鋯纖維制成。
4.制備如權(quán)利要求1所述一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合 材料的方法，其特征在于高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料的制備 方法按以下步驟進(jìn)行一、按體積比稱取 75%的二硼化鋯粉末、20%的碳化硅粉末 和5% 25%的二氧化鋯纖維，球磨濕混后得漿料；二、漿料在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上蒸發(fā)烘干，然 后研磨，得混合粉料；三、將混合粉料置于溫度為1800 1950°C、壓力為20 30MPa的真 空條件下保溫?zé)Y(jié)50 70min，隨爐冷卻后取出，即得高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯_碳化硅_氧 化鋯陶瓷基復(fù)合材料；其中步驟一中二硼化鋯粉末的體積純度大于98%，粒徑為2μπι;碳 化硅粉末的體積純度大于98%，粒徑為1 μ m ；二氧化鋯纖維的體積純度大于98%，直徑為 5 10 μ m，長度為100 500 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材 料的制備方法，其特征在于步驟一中按體積比稱取60%的二硼化鋯粉末、20%的碳化硅粉 末和20%的二氧化鋯纖維。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù) 合材料的制備方法，其特征在于步驟一中球磨濕混采用行星式球磨機(jī)，分散劑為無水乙醇， 球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200 400r/min，磨球氧化鋯磨球，球料比為4:1。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材 料的制備方法，其特征在于步驟二中蒸發(fā)烘干的溫度為65°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材 料的制備方法，其特征在于步驟二中研磨采用瑪瑙研缽反復(fù)研磨。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合 材料的制備方法，其特征在于步驟三中將混合粉料置于溫度為1880 1930°C、壓力為22 28MPa的真空條件下保溫?zé)Y(jié)55 65min。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合 材料的制備方法，其特征在于驟三中將混合粉料置于溫度為1900°C、壓力為25MPa的真空 條件下保溫?zé)Y(jié)60min。
全文摘要
一種高強(qiáng)高韌性的二硼化鋯-碳化硅-氧化鋯陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，它涉及一種陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。它解決了現(xiàn)有方法制備的ZrB2陶瓷基復(fù)合材料存在斷裂韌性低和難燒結(jié)的問題。材料由二硼化鋯粉末、碳化硅粉末和二氧化鋯纖維制成。方法一、稱取原料濕混后得漿料；二、漿料烘干后研磨得混合粉料；三、混合粉料燒結(jié)后冷卻取出即得。本發(fā)明將ZrO2纖維引入到二硼化鋯-碳化硅超高溫陶瓷材料體系中，以改善超高溫陶瓷材料的脆性及抗熱震性能，提高材料使用的可靠性。本發(fā)明制備的陶瓷復(fù)合材料，易燒結(jié)，其斷裂韌性為5.69～6.82MPa·m1/2，抗彎強(qiáng)度為700.86～723.15MPa。
文檔編號C04B35/622GK102060554SQ20101056535
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者孫新, 張幸紅, 林佳, 梁軍, 胡平, 韓文波 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)