一种零膨胀LAS/SiC复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种零膨胀LAS/SiC复合材料的 制备方法，所得的复合材料可用于天文望远镜的反射镜镜片、精密机械-激光谐振器、导 航-激光陀螺仪、雷达天线罩等产品。
【背景技术】
[0002] 在航空航天、机械工程和精密仪器等领域应用的功能结构和部件中，各种材料因 温度变化而发生的热胀冷缩行为对其服役性能和可靠性有很大影响。例如，航空航天领域 和空间环境中应用的金属结构与部件通常要经历环境温度的剧烈变化，不同材料间热膨胀 系数（CTE)的差异不但会引起结构与部件内部很大的内应力，而且会导致表面接触状态和 摩擦学设计的改变（如孔、销、键类等结构原有配合的变化），从而带来功能失效，严重时还 造成部件产生微裂纹及结构破坏；在信息存储和传输方面，热胀冷缩引起的材料与器件的 微观结构和外形变化可能造成信息失真、传输失败；此外，微机电系统等精密系统中元器件 外形的精确性及尺寸细微变化均对其功能至关重要，但由于元器件的服役环境常面临较大 的温度变化，因而材料的热膨胀或收缩性质对元器件性能稳定性、系统寿命及应用范围有 显著影响。
[0003] LAS，β-锂霞石在很大温度范围内具有很强的负热膨胀（NTE)特性，负热膨胀系 数高达-6. 2Χ KT6K' SiC陶瓷作为近几十年才发展起来的新型陶瓷材料，它具有密度低、 热膨胀系数小、强度高、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、抗热震和使用寿命长等优点，是重要的结 构与功能材料。SiC纤维/LAS玻璃陶瓷是目前获得的最成功的纤维增强陶瓷之一。SiC的 热膨胀系数为4. OX KT6IT1,与β -锂霞石的热膨胀系数在同一数量级上，并且在烧结过程 中不发生反应，即能和SiC纤维匹配。若将这种具有NTE特性的LAS材料与具有正热膨胀 行为的SiC粉体或者纤维进行复合，就可以实现对材料整体CTE的调控，研制超低热膨胀或 近零膨胀的复合材料，以期提高材料的抗热冲击性能，并解决由于材料的CTE不匹配引起 的热应力、微裂纹和疲劳断裂等问题，最终延长材料的使用寿命及扩展材料的应用范围。
[0004] 美国联合工艺研宄中心（UTRC)和Corning公司合作研制出使用温度在1000°C到 超过1250°C的Nicalon SiC纤维/LAS玻璃陶瓷系列复合材料。已获得的研宄结果表明SiC 纤维/LAS玻璃陶瓷具有高强、高韧、抗热冲击等一系列优异性能。通过添加玻璃粉末结合 β -锂霞石与SiC颗粒，可以制备热膨胀系数可控或近零热膨胀的多孔SiC/LAS陶瓷材料， 在耐高温微型精密加工领域具有重要的应用前景。因此，采用正膨胀材料SiC和β-锂霞 石结合设计零膨胀系数材料具有可观的优越性，弥补了传统熔融-烧结法、无压烧结法制 备零膨胀LAS材料及其复合材料的工艺繁多、成本大、具有较低的力学性能和杨氏模量等 缺陷。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种零膨胀LAS/SiC复合材 料的制备方法，可使得到的LAS/SiC复合材料具有高度的均匀性、近零膨胀系数和热循环 条件下的长期稳定性等特点。
[0006] 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
[0007] -种零膨胀LAS/SiC复合材料的制备方法，其特征在于，包含下列步骤：
[0008] (1)粉末烧结法制备LAS粉体：按照摩尔比Li2CO3:2Si0 2 = Al2O3配料，加入无水乙 醇，加入量与原料的体积比为3:1，采用氧化铝球湿法球磨混料至少8h，混合均匀，在旋转 蒸发仪上旋蒸将酒精烘干、取出放入干燥箱中80°C干燥过筛，将过筛后的混合粉体松装入 氧化铝坩埚中，置于空气炉中于1200 °C烧结，加热速率为5 °C /min，保温6~24h，随炉冷 却，将得到的块体捣碎获得LAS粉体；
[0009] (2) LAS/SiC复合粉体的获得：将SiC粉体与步骤（1)获得的LAS粉体按照质量配 比：SiC/LAS = 1. 5~3进行混料，加入无水乙醇，加入量与混合粉的体积比为3:1，采用氧 化铝球湿法球磨混料至少4h，然后干燥过筛，获得LAS/SiC复合粉体；
[0010] (3)热压烧结：将LAS/SiC复合粉体松装放入热压模具中，并手动压实，在N2气氛 下，于1250~1500°C热压烧结，保温30min~3h，升温速率为3~10°C /min，氮气压力为 0· 1 ~2MPa ;
[0011] ⑷加工处理：将热压烧结得到的LAS/SiC复合块体进行机械磨削加工，得到LAS/ SiC复合材料。
[0012] 上述方法中，步骤（1)所述原料Li2C03、Si0 2、Al203的尺寸均为微米级，平均粒径为 3 ~8 μ m〇
[0013] 步骤（2)所述所述SiC粉体粒径为纳米级和微米级、LAS粉体的平均粒径为5~ 50 μ m〇
[0014] 步骤（3)所述的升温速率在800°C以下为3~5°C /min，800°C以上为5~10°C / min，热压压力为I5~5〇MPa。
[0015] 步骤（4)所述所得的LAS/SiC复合材料，温度为0~600°C范围内所测的热膨胀系 数范围在-2~3X 1(T6/°C，具有零膨胀性能；步骤（2)的配比1. 5~3是根据复合材料零 膨胀系数公式：a lVl+ a 2v2= 0计算调整所得（a i、α 2分别是两相的热膨胀系数值，V i、V2 分别是两相的体积分数）。
[0016] 本发明的优点在于：
[0017] 1、采用粉末烧结法直接获得所需LAS粉体，简化了制备LAS基体的工艺，不仅节 能，而且还节省了制备成本。
[0018] 2、LAS/SiC复合材料的热膨胀系数可以根据比例进行宏观调控：采用粒径可选择 的SiC粉体作为零膨胀LAS/SiC复合材料的调节剂，根据复合材料零膨胀系数获得公式计 算配比，得到LAS/SiC复合粉体，热压烧结制备零膨胀LAS/SiC复合材料。
[0019] 3、采用热压烧结制备零膨胀LAS/SiC复合材料具有致密化程度高，基体在高温下 发生软化有利于致密化的进行，再加上外加压力加快了这种致密化过程，能够迫使无压条 件无法排出的气孔在应力作用下消除，均化组织，降低气孔率，提高材料的强度。
[0020] 4、采用热压烧结体系，工序简单、成本较低，为获得大量零膨胀LAS/SiC复合材料 的市场化生产提供更直观的参考。
【附图说明】
[0021] 图1为制备的LAS粉体形貌SEM照片。
[0022] 图2为本发明实施案例4所得LAS/SiC复合材料显微结构SEM照片。
[0023] 图3为本发明实施案例4所得LAS/SiC复合材料的XRD图谱。
【具体实施方式】
[0024] 以下结合【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0025] 以下10个实施例中制备的LAS粉体粒径、选用SiC粉体粒径及SiC/LAS质量配比 见表1，各实施例的具体烧结工艺参数参见表2,所得样品性能测试参见表3。
[0026] 表1 :各实施例中选用LAS、SiC粉体粒径及SiC/LAS质量配比
[0027]
[0028] 表2 :各实施例中LAS/SiC复合材料的烧结工艺参数
[0029]
[0031] 表3 :各实施例所得LAS/SiC复合材料样品的性能实测值
[0032]
[0033] 图1为制备的LAS粉体形貌SEM照片，可以看出，反应烧结发制备的LAS粉体粒径 均匀，平均尺寸为30 μ m。图2为本发明实施案例4所得LAS/SiC复合材料显微结构SEM照 片。图3为本发明实施案例4所得LAS/SiC复合材料的XRD图谱。可以看出，热压烧结所 得LAS/SiC复合材料组织均匀致密，其物相组成主要为LAS和SiC，亮灰色块状SiC均匀分 布在深灰色LAS基体中，没有其他中间相生成，说明该复合材料仅为两相物理结合而成。经 测试其相对密度达到99. 8%，杨氏模量达到312. 9GPa，强度为388. 49MPa，热膨胀系数达到 0.08ΧΚΓ7Κ，接近零膨胀。
【主权项】
1. 一种零膨胀LAS/SiC复合材料的制备方法，其特征在于，包含下列步骤： ⑴粉末烧结法制备LAS粉体：按照摩尔比Li2CO3:2Si02:Al2O3配料，加入无水乙醇，加 入量与原料的体积比为3:1，采用氧化铝球湿法球磨混料至少8h，混合均匀，在旋转蒸发仪 上旋蒸将酒精烘干、取出放入干燥箱中80°C干燥过筛，将过筛后的混合粉体松装入氧化铝 坩埚中，置于空气炉中于1200°C烧结，加热速率为5°C/min，保温6~24h，随炉冷却，将得 到的块体捣碎获得LAS粉体； (2)LAS/SiC复合粉体的获得：将SiC粉体与步骤（1)获得的LAS粉体按照质量配比： SiC/LAS= 1. 5~3进行混料，加入无水乙醇，加入量与混合粉的体积比为3:1，采用氧化错 球湿法球磨混料至少4h，然后干燥过筛，获得LAS/SiC复合粉体； (3) 热压烧结：将LAS/SiC复合粉体松装放入热压模具中，并手动压实，在N2气氛下，于 1250~1500°C热压烧结，保温30min~3h，升温速率为3~10°C/min，氮气压力为0? 1~ 2MPa； (4) 加工处理：将热压烧结得到的LAS/SiC复合块体进行机械磨削加工，得到LAS/SiC 复合材料。2. 根据权利要求1所述的一种零膨胀LAS/SiC复合材料的制备方法，其特征在于，步骤 (1) 所述原料Li2C03、Si02、Al203的尺寸均为微米级，平均粒径为3~8ym。3. 根据权利要求1所述的一种零膨胀LAS/SiC复合材料的制备方法，其特征在于，步骤 (2) 所述所述SiC粉体粒径为纳米级和微米级、LAS粉体的平均粒径为5~50ym。4. 根据权利要求1所述的一种零膨胀LAS/SiC复合材料的制备方法，其特征在于，步 骤（3)所述的升温速率在800°C以下为3~5°C/min，800°C以上为5~10°C/min，热压压 力为I5~5〇MPa。
【专利摘要】一种零膨胀LAS/SiC复合材料的制备方法，先粉末烧结法制备LAS粉体，再采用粒径匹配的SiC粉体作为零膨胀LAS/SiC复合材料的调节剂，根据比例计算对材料热膨胀系数进行宏观调控；最后采用热压烧结方法、后期加工处理制备零膨胀LAS/SiC复合材料，本发明所得的复合材料致密化程度高，基体在高温下发生软化有利于致密化的进行，再加上外加压力加快了这种致密化过程，能够迫使无压条件无法排出的气孔在应力作用下消除，均化组织，降低气孔率，提高材料的强度。
【IPC分类】C04B35/577, C04B35/645, C04B35/19
【公开号】CN104892000
【申请号】CN201510257006
【发明人】王波, 张辉, 张亚明, 郭海霞, 曾德军, 邓宇宸, 杨建锋
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月19日