一种晶界含有金属相定向多孔SiC陶瓷的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于定向多孔陶瓷材料制备领域，具体涉及一种晶界含有金属相定向多孔SiC陶瓷的制备方法。
【背景技术】
[0002]定向多孔陶瓷材料是一类结构上气孔呈定向分布特征的多孔陶瓷材料。定向多孔SiC陶瓷制备方法有采用冷冻干燥法、挤出成型和模板法等工艺。然而采用冷冻干燥法、挤出成型制备的定向多孔SiC陶瓷强度和孔筋密度不高；另外采用冷冻干燥法、挤出成型和模板法制备SiC多孔陶瓷时候，往往加入了大量烧结助剂来促进烧结，大大降低纯SiC陶瓷的高温性能，还会引起多孔烧结制品发生较大体积收缩，不利于尺寸较大或形状复杂工件制备。采用木材SiC多孔陶瓷制备复合材料时，微观结构内部残余的大量C和Si则会对定向多孔结构和性能有较大影响。
[0003]专利CN101323524则以碳化硅、碳粉、硅粉和氧化硅为原料利用炉内沿轴向存在温差分布特征制备了定向多孔SiC陶瓷。随后，刘光亮等人利用炉内温度场定向分布特征制备了气孔具有定向分布特征的定向多孔SiC陶瓷。随后刘光亮、刘波波等先后采用Si02和Si3N4作为造孔剂制备了气孔也具有定向分布特征的定向多孔SiC陶瓷，通过调节造孔剂的加入量实现了对定向多孔气孔率的初步控制。其不足是和利用炉内温度场定向分布制备的定向多孔SiC陶瓷一样，制备得到的样品强度不是很高。申请人等采用Fe203作为造孔剂干压成型烧结后制备了孔筋密度和强度远远高于前者的定向多孔SiC陶瓷，通过调节造孔剂的加入量增加气孔率从10%左右增加到80%，不同径向孔径尺寸也随之增加了。
[0004]上述方法分别从两个不同产生定向物质传输角度出发制备了定向多孔陶瓷材料。首先采用炉内轴向温场分布特征制备的定向多孔SiC陶瓷成型工艺中特有的颗粒松散堆积导致制品强度不高。后续采用添加剂干压成型工艺制备的定向多孔SiC陶瓷则具有较高强度，而且在后续采用不同造孔剂制备定向多孔实验研究中，申请人等采用硅粉作为造孔剂制备定向多孔SiC陶瓷时，结果发现多孔除了具有结构定向分布特征外，晶界处则发现了大量金属相，能谱分析结果显示其组成为W0.63V0.73Τ?11.59Zr4.84。定向多孔SiC陶瓷晶界处含有大量金属相是研究一大亮点。尤其是对于复合材料来说，界面结构与性能直接影响复合材料的性能，例如界面的形成过程、界面层性质、界面粘合、应力传递行为等对宏观力学性能的影响规律。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种晶界含有金属相定向多孔SiC陶瓷的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明制备的复合材料具有较高强度、一定断裂韧性、较高气孔率等优点，同时也不存在界面改善添加金属相，直接可以作为复合材料浸渗增强体。
[0006]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种晶界含有金属相定向多孔SiC陶瓷的制备方法，包括以下步骤:
[0008]步骤一:将造孔剂加入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和酒精质量比为1:3，随后采用球磨机进行混料，混料结束后进行干燥得到混合物B ；
[0009]步骤二:向步骤一得到的混合物B中加入PVA水溶液，混匀过120目筛后进行造粒；随后进行干压成型得到坯体，坯体干燥后在惰性环境下进行高温烧结，即可获得晶界含有金属相定向多孔SiC陶瓷。
[0010]进一步地，步骤一中所述的造孔剂为硅粉，硅粉粒度为250?400目。
[0011]进一步地，步骤一中所述的SiC粉料的平均粒度为6 μπι。
[0012]进一步地，混合物Α中造孔剂的添加量为5?30wt.%。
[0013]进一步地，步骤一中采用球磨机混料的时间为10?12h。
[0014]进一步地，步骤二中PVA水溶液的质量占混合物B及PVA水溶液总质量的3?6 %，其中，PVA水溶液中PVA的质量分数为5?8%。
[0015]进一步地，步骤二中干压成型的压力为4?6吨。
[0016]进一步地，步骤二中坯体干燥的条件为100?120°C下保温8?16h。
[0017]进一步地，步骤二中烧结过程中压力为0.5?0.9MPa，升温速率80?120°C /min，升温至2200?2300 °C后保温1?2h，然后随炉降温至室温。
[0018]—种晶界含有金属相定向多孔SiC陶瓷的制备方法，包括以下步骤:
[0019]步骤一:将粒度为300目的硅粉作为造孔剂加入平均粒度为6微米的SiC粉料中得到混合物A，其中造孔剂的添加量为5wt.%，然后向混合物A中加入酒精，混合物A和酒精质量比为1:3，随后采用球磨机进行混料12h，混料结束后采用旋转蒸发仪进行干燥得到混合物B ;
[0020]步骤二:向干燥后得到混合物B中加入PVA水溶液，PVA水溶液的质量占混合物B及PVA水溶液总质量的4%，其中，PVA水溶液中PVA的质量分数为6%，混匀过120目筛进行造粒；随后进行干压成型得到尺寸为50mmX5mmX5mm的坯体，成型压力4吨；将坯体放入干燥箱进行干燥，干燥条件为100°C保温16h，随后采用西安交通大学金属材料强度国家重点实验室的西安金雨机械电器厂型号为ZGRS-160/2.55的中频电磁感应真空高温烧结炉进行高温烧结，烧结气氛为氩气，炉压0.8MPa，升温速率100 °C /min，升温至2200 °C后保温lh，然后随炉降温至室温，即可获得晶界含有金属相定向多孔SiC陶瓷。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0022]本发明方法采用硅粉作为造孔剂工艺简单，制备的多孔陶瓷具有气孔定向分布特征，除此之外，颗粒接触部位二次成核再结晶晶粒也具有定向生长特征；采用本发明方法制得的定向多孔SiC陶瓷孔筋密度可达到2.78?2.95g/cm3，抗折强度可达到15.5?55.5MPa (强度测试压力平行于轴向)，通过控制加入硅粉含量可以实现对最终制品气孔率一定程度上控制，气孔率可以认为是未加添加剂试样气孔和添加造孔剂体积百分比的叠加，制备出来的多孔陶瓷气孔形状和木材陶瓷类似，所不同之处在于采用硅粉作为添加剂制备的定向多孔陶瓷可以认为是“蝌蚪状”气孔在三维上的一个排列。另外本发明方法采用硅粉作为造孔剂制备的定向多孔SiC陶瓷晶界具有金属相，改变了多孔材料晶界结构，大大改善了多孔材料断裂韧性，一方面硅粉添加导致定向孔的形成，另一方面导致了残余金属相富集与境界上，改变了境界结构，也为后续金属浸渗制备复合材料带来了便利。
【附图说明】
[0023]图1是实施例1制备的样品径向剖面电子扫描形貌图；
[0024]图2是实施例1制备的样品轴向剖面电子扫描形貌图；
[0025]图3是实施例1制备的样品径向微观形貌中晶界金属相微观形貌；
[0026]图4是实施例1制备的样品金属相能谱图。
【具体实施方式】
[0027]下面对本发明的实施方式做进一步详细描述:
[0028]—种晶界含有金属相定向多孔SiC陶瓷的制备方法，包括以下步骤:
[0029]步骤一:以平均粒度为6微米的SiC粉料为主要原料，添加5?30wt.%粒度为250-400目的硅粉作为造孔剂，得到混合物A，然后向混合物A中加入酒精，混合物A和酒精质量比为1:3，随后采用球磨机进行混料10-12h，混料结束后采用旋转蒸发仪进行干燥得到混合物B，旋转蒸发仪可以有效避免在一般静止干燥过程中不同颗粒因为密度差异引起沉降速度而导致粉料分层和混合不均匀现象；
[0030]步骤二:向干燥后得到混合物B中加入适量PVA (聚乙烯醇)水溶液，PVA水溶液的质量占混合物B及PVA水溶液总质量的3?6%，其中，PVA水溶液中PVA的质量分数为5?8%，混匀过120目筛进行造粒；随后进行干压成型得到尺寸大体为50mmX5mmX5mm的坯体，成型压力4-6吨，采用4-6吨压力进行成型可以促使颗粒之间实现更大程度上点接触；将坯体放入干燥箱进行干燥，干燥条件为100?120°C保温8-16h，随后采用西安交通大学金属材料强度国家重点实验室的西安金雨机械电器厂型号为ZGRS-160/2.55的中频电磁感应真空高温烧结炉进行高温烧结，烧结气氛为氩气，炉压0.5-0.9MPa，升温速率80-120°C /min，升温至2200_2300°C后保温l_2h，然后随炉降温至室温，即可获得晶界含有金属相定向多孔SiC陶瓷。
[0031]下面结合实施例对本发明做进一步详细描述:
[0032]实施例1
[0033]步骤一:以平均粒度为6微米的SiC粉料为主要原料，添加5wt.%粒度为300目的硅粉作为造孔剂，得到混合物A，然后向混合物A中加入酒精，混合物A和酒精质量比为1:3，随后采用球磨机进行混料12h，混料结束后采用旋转蒸发仪进行干燥得到混合物B ;
[0034]步骤二:向干燥后得到混合物B中加入适量PVA水溶液，PVA水溶液的质量占混合物B及PVA水溶液总质量的4%，其中，PVA水溶液中PVA的质量分数为6%，混匀过120目筛进行造粒；随后进行干压成型得到尺寸大体为50mmX5mmX5mm的坯体，成型压力4吨；将坯体放入干燥箱进行干燥，干燥条件为100°C保温16h，随后采用西安交通大学金属材料强度国家重点实验室的西安金雨机械电器厂型号为ZGRS-160/2.55的中频电磁感应真空高温烧结炉进行高温烧结，烧结气氛为氩气，炉压0.8MPa，升温速率100°C /min,升温至2200°C后保温lh，然后随炉降温至室温，即可获得晶界含有金属相定向多孔SiC陶瓷。
[0035]采用扫描电子显微镜对制备得到的定向多孔SiC陶瓷切割后不同径向上微观形貌进行观察；采用陕西科技大学材料科学与工程学院Dmax2200型X射线衍射仪对定向多孔陶瓷物相组成进行研究；采用西安交通大学机械制造系统国家重点实验室微米X射线三维成像系统对定向多孔陶瓷三维结构进行研究；采用甘肃天水的万能力学实验机对制备的多孔体不同径向抗折强度进行测试；气孔率、体积密度和孔筋密度测试则采用排水法，制得的定向多孔SiC陶瓷孔筋密度为2.95g/cm3，抗折强度为55.5MPa。
[0036]结果参见图1至图4，由图1可以看出，典型样品微观结构的径向形态中，SiC相尺寸均匀