專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料及其制備方法，具體涉及一種通過(guò)摻雜鎢或鈮或它們的組合提高碳化鋯陶瓷塊體材料的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、高溫彈性模量和高溫抗氧化性的方法，屬于陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳化鋯陶瓷(ZrC)具有高熔點(diǎn)、高彈性模量、抗輻照等優(yōu)異的綜合性能，在航空、航天、核工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，作為高溫結(jié)構(gòu)材料，其抗氧化性較差和強(qiáng)度低的缺點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用。特別是第四代高溫核反應(yīng)堆對(duì)新型抗輻照材料提出了耐高溫、抗氧化、抗輻照的要求，要求碳化鋯陶瓷既具有高的強(qiáng)度和高溫抗氧化性，又具有優(yōu)異的抗輻照性能。碳化鋯陶瓷由于難以燒結(jié)，其強(qiáng)度和韌性均比較低，通常強(qiáng)度只有150MPa左右，為了提高碳化鋯陶瓷的室溫和高溫性能，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展大量的研究工作。文獻(xiàn)I(ScriptaMater.，59:638-641 (2008))提供了一種在碳化鋯陶瓷中加入MoSi2提高燒結(jié)活性、降低燒結(jié)溫度的方法，由于ZrC陶瓷的平均晶粒尺寸減小，使碳化鋯陶瓷的室溫強(qiáng)度和韌性得到改善，但由于MoSi2的熔點(diǎn)低(2030°C)和高溫抗蠕變性較差，因此高溫力學(xué)性能未得到提高。文獻(xiàn)2(J. Mater. Sc1.，39 :6057-6066 (2004))采用前驅(qū)體裂解的碳化鋯粉末為原料，在1700-1950°C、40MPa壓力下熱壓燒結(jié)2小時(shí)制備出接近理論密度的體材料，但高溫抗氧化性未得到改善。文獻(xiàn) 3(Metallography，6，433-438(1973))提供了一種用電弧熔化制備碳化鋯和摻雜硼的碳化鋯的方法，所得到的材料致密度高，摻雜硼的碳化鋯的抗氧化性有所提高，但由于晶粒粗大，強(qiáng)度較低。文獻(xiàn)4(J. Mater. Sc1. 43:6414-6421 (2008))提供了一種用放電等離子體燒結(jié)制備碳化鋯陶瓷的方法，雖然強(qiáng)度和韌性得到改善，但高溫抗氧化性未得到提高。到目前為止，還沒(méi)有一種既可以提高碳化鋯陶瓷的室溫和高溫強(qiáng)度，又可以提高碳化鋯陶瓷的高溫抗氧化性的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提出一種高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料及其制備方法，該方法制備的碳化鋯陶瓷材料具有室溫強(qiáng)度高、高溫強(qiáng)度高、高溫彈性模量高和高溫抗氧化性好的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的一種高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料，該碳化鋯陶瓷材料包括基體和摻雜組元，摻雜組元的摩爾數(shù)占基體摩爾數(shù)的1°/Tl5% ；所述的基體為碳化鋯(ZrC)陶瓷；所述的摻雜組元為鎢(W)、鈮(Nb)、碳化鎢(WC)、碳化鈮(NbC)或其混合物；所述的摻雜組元的純度不小于99%，粒徑為小于300目；本發(fā)明的一種高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料的制備方法，具體步驟為將基體和摻雜組元混合后，烘干，然后在氬氣保護(hù)下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，得到高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料；所述的混合是在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行的濕法混合，混合時(shí)間為20-30h，混合介質(zhì)為乙醇，磨球?yàn)樘蓟u球。所述的烘干時(shí)在真空烘箱中進(jìn)行的，烘干溫度為40_70°C ；所述的熱壓燒結(jié)時(shí)所使用的模具為石墨模具，熱壓燒結(jié)溫度為1700-2000°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為l 4h，熱壓燒結(jié)壓力為2(T40 MPa。有益效果本發(fā)明的方法制備的碳化鋯陶瓷材料具有高的致密度、優(yōu)異的室溫和高溫力學(xué)性能以及良好的高溫抗氧化性。根據(jù)摻雜組元含量的不同，該方法得到的碳化鋯陶瓷，室溫彎曲強(qiáng)度> 400 MPa,最高可達(dá)420 MPa,高溫1200°C的彈性模量彡300 GPa，高溫1200°C的彈性模量彡275GPa。未摻雜的碳化鋯陶瓷的彎曲強(qiáng)度為150_400MPa，高溫1200°C的彈性模量為270GPa, 12000C以上強(qiáng)度和高溫彈性模量低。此外，上述方法得到的碳化鋯陶瓷材料在空氣中氧化結(jié)束的溫度比未摻雜的碳化鋯陶瓷提高了 200°C。通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)本發(fā)明制備的碳化鋯陶瓷材料具有優(yōu)異的室溫、高溫力學(xué)性能和良好的高溫抗氧化性。


圖1為實(shí)施例1得到的碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷的X-射線(xiàn)衍射譜； 圖2為摻雜WC含量對(duì)碳化鋯陶瓷致密度的影響；圖3為摻雜NbC含量對(duì)碳化鋯陶瓷致密度的影響。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1將鋯粉86. 5 g，鎢粉9. 2 g，石墨粉12 g均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨20小時(shí)，球磨介質(zhì)為乙醇，磨球?yàn)樘蓟u球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50 0C0干燥后的粉末置入Φ60 _的石墨模具中，反應(yīng)熱壓燒結(jié)在流動(dòng)氬氣保護(hù)下進(jìn)行，熱壓溫度為1800°C，壓力為35 MPa，保壓時(shí)間為60分鐘。將得到的材料按照GB/T 14390-2008進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，彎曲強(qiáng)度的樣品尺寸為3mmX 4mmX 40mm,斷裂韌性為4mmX 8mmX 36mm。測(cè)試結(jié)果為室溫彎曲強(qiáng)度為450MPa,斷裂韌性為3.5 MPa.m1/2，得到的碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷的X-射線(xiàn)衍射譜如圖1所示。實(shí)施例2 將鋯粉86. 5 g，鈮粉4. 6 g，石墨粉12 g均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨20小時(shí)，球磨介質(zhì)為乙醇，磨球?yàn)樘蓟u球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50°C。干燥后的粉末置入O60mm的石墨模具中，反應(yīng)熱壓燒結(jié)在流動(dòng)氬氣保護(hù)下進(jìn)行，熱壓溫度為1900°C，壓力為30 MPa，保壓時(shí)間為90分鐘，得到碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷。將得到的材料采用脈沖法進(jìn)行室溫和高溫彈性模量測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E1259-94，樣品尺寸為4mmX 12mmX40mm。測(cè)試結(jié)果為室溫彈性模量為385GPa，1400°C彈性模量為300GPa。實(shí)施例3將鋯粉84. 6 g，鎢粉5. 5 8，鈮粉2.8 g，石墨粉12 g均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨30小時(shí)，球磨介質(zhì)為乙醇，磨球?yàn)樘蓟u球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為70V。干燥后的粉末置入Φ60 mm的石墨模具中，反應(yīng)熱壓燒結(jié)在流動(dòng)氬氣保護(hù)下進(jìn)行，熱壓溫度為1850°C，壓力為40 MPa，保壓時(shí)間為70分鐘，得到碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷。將得到的材料按照GB/T 14390-2008進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測(cè)試，彎曲強(qiáng)度的樣品尺寸為3mmX4mmX40mm,斷裂韌性為4mmX8mmX36mm ;采用脈沖法進(jìn)行室溫彈性模量測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E 1259-94，樣品尺寸為4mmX12_X40mm。測(cè)試結(jié)果為室溫彎曲強(qiáng)度為460MPa，彈性模量為390GPa，斷裂韌性為3. 8MPa. m1/2。實(shí)施例4將碳化錯(cuò)粉107. 5 g,碳化銀粉6. 6 g均勻混合,在行星式球磨機(jī)上球磨24小時(shí)，球磨介質(zhì)為乙醇，磨球?yàn)樘蓟u球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50°C。干燥后的粉末置入O60mm的石墨模具中，反應(yīng)熱壓燒結(jié)在流動(dòng)氬氣保護(hù)下進(jìn)行，熱壓溫度為1900°C，壓力為40 MPa，保壓時(shí)間為90分鐘，得到碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷。將得到的材料按照GB/T 14390-2008進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，彎曲強(qiáng)度的樣品尺寸為3mmX 4mmX 40mm,斷裂朝性為4mmX 8mmX 36mm。所得材料的室溫彎曲強(qiáng)度為450MPa, 1200°C的彎曲強(qiáng)度340MPa，斷 裂韌性為3. 5MPa. m1/2。實(shí)施例5將100摩爾的碳化鋯粉與5摩爾的碳化鎢均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨24小時(shí)，球磨介質(zhì)為乙醇，磨球?yàn)樘蓟u球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50°C。干燥后的粉末置入O60mm的石墨模具中，反應(yīng)熱壓燒結(jié)在流動(dòng)氬氣保護(hù)下進(jìn)行，熱壓溫度為1900°C，壓力為40 MPa，保壓時(shí)間為90分鐘，得到碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷，得到的碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷的相對(duì)密度為100%，如圖2所示，其中碳化鋯基體的相對(duì)密度為94%。實(shí)施例6將100摩爾的碳化鋯粉與10摩爾的碳化鎢均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨24小時(shí)，球磨介質(zhì)為乙醇，磨球?yàn)樘蓟u球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50°C。干燥后的粉末置入Φ60_的石墨模具中，反應(yīng)熱壓燒結(jié)在流動(dòng)氬氣保護(hù)下進(jìn)行，熱壓溫度為1900°C，壓力為40 MPa，保壓時(shí)間為90分鐘，得到碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷，得到的碳化鎢摻雜碳化鋯陶瓷的相對(duì)密度為99. 2%，如圖2所示。實(shí)施例7 將100摩爾的碳化鋯粉與5摩爾的碳化鈮均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨24小時(shí)，球磨介質(zhì)為乙醇，磨球?yàn)樘蓟u球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50°C。干燥后的粉末置入O60mm的石墨模具中，反應(yīng)熱壓燒結(jié)在流動(dòng)氬氣保護(hù)下進(jìn)行，熱壓溫度為1900°C，壓力為40 MPa，保壓時(shí)間為90分鐘，得到碳化鈮摻雜碳化鋯陶瓷，得到的碳化鈮摻雜碳化鋯陶瓷的相對(duì)密度為99%，如圖3所示，其中碳化鋯基體的相對(duì)密度為94%。
實(shí)施例8將100摩爾的碳化鋯粉與10摩爾的碳化鈮均勻混合，在行星式球磨機(jī)上球磨24小時(shí)，球磨介質(zhì)為乙醇，磨球?yàn)樘蓟u球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干溫度為50°C。干燥后的粉末置入Φ60_的石墨模具中，反應(yīng)熱壓燒結(jié)在流動(dòng)氬氣保護(hù)下進(jìn)行，熱壓溫度為1900°C，壓力為40 MPa，保壓時(shí)間為90分鐘，得到碳化鈮摻雜碳化鋯陶瓷，得到的碳化鈮摻雜碳化鋯陶瓷的相對(duì)密 度為98%，如圖3所示，其中碳化鋯基體的相對(duì)密度為94%。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料，其特征在于該碳化鋯陶瓷材料包括基體和摻雜組元，摻雜組元的摩爾數(shù)占基體摩爾數(shù)的1°/Tl5% ；所述的基體為碳化鋯陶瓷；所述的摻雜組元為鶴、銀、碳化鶴、碳化銀或其混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料，其特征在于所述的摻雜組元的純度不小于99%，粒徑為小于300目。
3.—種權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料的制備方法，其特征在于具體步驟為將基體和摻雜組元混合后，烘干，然后在氬氣保護(hù)下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，得到高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的混合是在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行的濕法混合，混合時(shí)間為20-30h，混合介質(zhì)為乙醇，磨球?yàn)樘蓟Q球。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的烘干時(shí)在真空烘箱中進(jìn)行的，烘干溫度為40-70°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的熱壓燒結(jié)時(shí)所使用的模具為石墨模具，熱壓燒結(jié)溫度為1700-2000°C，熱壓燒結(jié)時(shí)間為I 4h，熱壓燒結(jié)壓力為20 40 MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高強(qiáng)度抗氧化碳化鋯陶瓷材料及其制備方法，屬于陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。該碳化鋯陶瓷材料包括基體和摻雜組元，摻雜組元的摩爾數(shù)占基體摩爾數(shù)的1%~15%；所述的基體為碳化鋯陶瓷；所述的摻雜組元為鎢、鈮、碳化鎢、碳化鈮或其混合物。本發(fā)明的方法制備的碳化鋯陶瓷材料室溫彎曲強(qiáng)度≥400 MPa，最高可達(dá)420 MPa， 高溫1200oC的彈性模量≥300 GPa，高溫1200oC的彈性模量≥275 GPa。此外，上述方法得到的碳化鋯陶瓷材料在空氣中氧化結(jié)束的溫度比未摻雜的碳化鋯陶瓷提高了200oC。
文檔編號(hào)C04B35/56GK103058660SQ20131001009
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者周延春, 鄭麗雅, 盧新坡 申請(qǐng)人:航天材料及工藝研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院