专利名称：高韧性Al的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高韧性Al2O3/Ti3SiC2层状陶瓷复合材料及其热压制备方法，属于陶瓷材料技术领域。
有关陶瓷材料的增韧一直是陶瓷材料界研究的热点问题之一。近些年来，人们从天然材料的研究中得到启示，天然的生物材料，如竹、木、骨骼、贝壳珍珠层等，它们通过不同组分和特殊结构的精细组合，赋予了非常好的韧性和综合性能。层状结构陶瓷材料就是通过模仿贝壳珍珠层的层状结构来对陶瓷材料进行增韧。自从1990年W.J.Clegg等人[文献1Nature，1990，347445～447]报道了SiC/C层状陶瓷并获得成功以后，层状结构增韧就成为陶瓷材料中一种有效的增韧手段，并成为了新的研究热点之一。通过在陶瓷材料中引入层状结构，使得陶瓷材料在受力断裂时裂纹能在层间反复偏转，增加了裂纹扩展的阻力，从而大大增加断裂功，大大提高断裂韧性。
根据层状结构的界面结合的强弱，对层状结构陶瓷复合材料的研究可以大致分为两类弱结合界面和强结合界面。一是主要通过层状材料中较弱的分隔层或较弱的层间界面，使裂纹在扩展到分隔层时发生偏转，进而引发大量的增韧机制，消耗大量的能量，最终达到提高陶瓷材料韧性的目的。这一方面的主要研究体系包括Si3N4/BN体系[文献2J.Am.Ceram.Soc.，2002，85[10]2452-61]、SiC/C体系[文献1]等。这类材料相对于基体块体材料来说，断裂韧性提高非常明显，可提高几倍，断裂功也可提高数十倍、乃至上百倍，但是因界面层较弱，往往降低了材料的强度。另一类是强界面结合的层状结构材料，如Al2O3/ZTA等[文献3J.Eur.Ceram.Soc.，1999，19255～262]，主要是利用分隔层与基体层之间的热失配，在烧结后冷却过程中形成有利于裂纹发生横向偏转的残余应力状态，从而增加断裂功和断裂韧性。这一类材料的增韧效果虽然不如弱结合界面的明显，而且由于高温下残余应力的释放而导致高温性能较差，但是由于分隔层与基体层之间界面结合较强，而使材料保持了较高的强度。
在本发明制备的Al2O3/Ti3SiC2层状陶瓷复合材料中，同时引入了上述两种裂纹偏转机制，使材料的强度与韧性均达到了较高的水平。鉴于目前市场尚无成品的Ti3SiC2粉料出售，本发明提供了一种原位热压制备Al2O3/Ti3SiC2层状陶瓷复合材料的简单方法。
本发明提出的高韧性Al2O3/Ti3SiC2层状陶瓷复合材料，其特征在于该复合材料由基体层和分隔层组成，所述基体层的原料及配比为，Al2O3(85～100)wt％；助烧剂(0～15)wt％ [(0～10)％MgO+(0～10)％SiO2+(0～10)％Al2O3]的熔融体；所述分隔层的原料及配比为，Ti∶Si∶C(活性炭粉)＝3∶(0.8～2.0)∶(0～1.2)(摩尔比)助熔剂CaF2(0～10)wt％。
本发明提出的高韧性Al2O3/Ti3SiC2层状陶瓷复合材料的热压制备方法，其特征在于所述热压制备方法依次为(1)按上述配方称量基体层原料，球磨，出料后烘干、过筛，得到混合的基体层粉料；(2)按上述配方称量分隔层粉料，球磨，出料后烘干、过筛，得到混合的分隔层粉料；(3)将步骤(1)和(2)获得的基体层和分隔层陶瓷粉体分别按比例与成型助剂进行搅拌混合，然后在轧膜机上进行练泥，直至获得塑性良好的可塑泥团，泥团含水率在10～25％，并将泥团在密封状态下陈腐，然后用轧膜机对可塑泥团进行反复轧制，轧成厚度为0.08～1mm的薄片；(4)将步骤(3)轧膜得到的两种坯片平行交替叠层或按一定的方式排列，放入石墨模具中；(5)将装有坯体的模具在空气气氛下，先以＜5℃/分钟的速度慢速升温至300～450℃，保温2～4小时进行排胶处理，待有机物完全排尽后，施加5～10MPa的压力进行冷压，之后置于有氩气气氛的热压烧结炉中热压烧结，升温速率为(5～20)℃/min，烧结温度为(1500～1650)℃，保温时间(1～4)小时，并在烧结过程中施加(15～40)MPa的压力。
在上述热压制备方法中，步骤(3)所述成型助剂为粘合剂、增塑剂和润滑剂，其中粘结剂采用PVA30wt％水溶液，增塑剂采用甘油，润滑剂采用液体石蜡。
在上述热压制备方法中，步骤(3)所述基体层陶瓷粉体与成型助剂的比例为陶瓷粉∶粘结剂∶增塑剂∶润滑剂＝100∶(20～30)∶(2～5)∶(2～5)。
在上述热压制备方法中，步骤(3)所述分隔层陶瓷粉体与成型助剂比例为陶瓷粉∶粘结剂∶增塑剂∶润滑剂＝100∶(20～40)∶(2.5～6)∶(2.5～6)。
本发明通过上述原位热压烧结法制出了Al2O3/Ti3SiC2层状陶瓷复合材料，其中Ti3SiC2层与Al2O3层的厚度比为(0.1～1.2)。在烧结过程中由于Ti3SiC2层中产生了富Si的液相，且在烧结温度下会发生挥发和扩散，因此Ti3SiC2层中含有一定量的TiC，这些TiC的存在改变了材料中的残余应力，再加上两种层间的界面不是很强，因此裂纹可以在层间界面上发生横向偏转并在界面上扩展，因此在材料受力开裂时对裂纹进行反复偏折、使裂纹尖端钝化、造成两种片层相对裂纹的桥接和拔出等，从而大大降低陶瓷材料对裂纹的敏感性并有效地提高韧性。同时，残余应力的存在，使得复合材料中Ti3SiC2层抵抗破坏的能力增加，因此材料的强度不仅没有降低，而且还有所提高。所制备的材料具有较好的力学性能断裂韧性＞9～15MPa·m1/2，抗弯强度为300～700MPa，断裂功1500～3000J/m2，并且材料的载荷-位移曲线显示出非脆性破坏的特性。
本发明所制备的层状陶瓷复合材料具有高强度、高韧性、耐高温等优点，可用于航天飞机、防弹装甲、输送管道等部件的表面材料以及一些结构零部件的材料，具有非常广阔的应用前景。
(3)按(1)中分隔层配方称量分隔层粉料。混合方法同上。
(4)成型工艺陶瓷粉料与成型助剂混练基体层和分隔层的成型均采用轧膜法，加入粘合剂、增塑剂和润滑剂为成型助剂。粘结剂采用PVA30wt％水溶液，采用甘油为增塑剂，采用液体石蜡为润滑剂。具体加入量如下基体层陶瓷粉∶粘结剂∶增塑剂∶润滑剂＝100∶(20～30)∶(2～5)∶(2～5)分隔层陶瓷粉∶粘结剂∶增塑剂∶润滑剂＝100∶(20～40)∶(2.5～6)∶(2.5～6)坯体层片的成型将(2)和(3)中获得的陶瓷粉体分别按上述配方与成型助剂进行搅拌混合，然后在轧膜机上进行练泥，直至获得塑性良好的可塑泥团，泥团含水率在10～25％。并将泥团在密封状态下陈腐12～24小时，然后用轧膜机对可塑泥团进行反复轧制，轧成厚度为0.08～1mm的薄片。
叠层将轧膜得到的两种坯片平行交替叠层或按一定的方式排列，放入石墨模具中。
(5)排胶和烧结将装有坯体的模具在空气气氛下，先慢速升温(＜5℃/分钟)至300～450℃，保温2～4小时进行排胶处理，待有机物完全排尽后，施加5～10MPa的压力进行冷压。之后置于有氨气气氛的热压烧结路中热压烧结，升温速率为(5～20)℃/min，烧结温度为(1500～1650)℃，保温时间(1～4)小时，并在烧结过程中施加(15～40)MPa的压力。
下面结合实施例对本发明做进一步描述
权利要求
1.高韧性Al2O3/Ti3SiC2层状陶瓷复合材料，其特征在于该复合材料由基体层和分隔层组成，所述基体层的原料及配比为，Al2O3(85～100)wt％；助烧剂(0～15)wt％ [(0～10)％MgO+(0～10)％SiO2+(0～10)％Al2O3]的熔融体；所述分隔层的原料及配比为，Ti∶Si∶C(活性炭粉)＝3∶(0.8～2.0)∶(0～1.2)(摩尔比)，助熔剂CaF2(0～10)wt％。
2.按照权利要求1所述的高韧性Al2O3/Ti3SiC2层状陶瓷复合材料的热压制备方法，其特征在于所述热压制备方法依次为(1)按上述配方称量基体层原料，球磨，出料后烘干、过筛，得到混合的基体层粉料；(2)按上述配方称量分隔层粉料，球磨，出料后烘干、过筛，得到混合的分隔层粉料；(3)将步骤(1)和(2)获得的基体层和分隔层陶瓷粉体分别按比例与成型助剂进行搅拌混合，然后在轧膜机上进行练泥，直至获得塑性良好的可塑泥团，泥团含水率在10～25％，并将泥团在密封状态下陈腐，然后用轧膜机对可塑泥团进行反复轧制，轧成厚度为0.08～1mm的薄片；(4)将步骤(3)轧膜得到的两种坯片平行交替叠层或按一定的方式排列，放入石墨模具中；(5)将装有坯体的模具在空气气氛下，先以＜5℃/分钟的速度慢速升温至300～450℃，保温2～4小时进行排胶处理，待有机物完全排尽后，施加5～10MPa的压力进行冷压，之后置于有氩气气氛的热压烧结炉中热压烧结，升温速率为(5～20)℃/min，烧结温度为(1500～1650)℃，保温时间(1～4)小时，并在烧结过程中施加(15～40)MPa的压力。
3.按照权利要求2所述的热压制备方法，其特征在于步骤(3)所述成型助剂为粘合剂、增塑剂和润滑剂，其中粘结剂采用PVA30wt％水溶液，增塑剂采用甘油，润滑剂采用液体石蜡。
4.按照权利要求2或3所述的热压制备方法，其特征在于步骤(3)所述基体层陶瓷粉体与成型助剂的比例为陶瓷粉∶粘结剂∶增塑剂∶润滑剂＝100∶(20～30)∶(2～5)∶(2～5)。
5.按照权利要求2或3所述的热压制备方法，其特征在于步骤(3)所述分隔层陶瓷粉体与成型助剂比例为陶瓷粉∶粘结剂∶增塑剂∶润滑剂＝100∶(20～40)∶(2.5～6)∶(2.5～6)。
全文摘要
高韧性Al
文档编号C04B35/63GK1477081SQ0314639
公开日2004年2月25日 申请日期2003年7月11日 优先权日2003年7月11日
发明者汪长安, 昝青峰, 赵世柯, 黄勇 申请人:清华大学