/SiC功能梯度材料的制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于功能材料领域，涉及一种1^35;^2/3;[(:功能梯度材料(？1111(31:;[01^1Graded Material，FGM)的制备方法，具体为一种提高以Ti3SiC2、SiC两种具有不同热机械性能的材料在厚度方向实现组成逐渐过渡而生成FGM的致密化方法，实现Ti3SiC2、SiC两相材料的均匀致密化。
【背景技术】
[0002]当两异种材料直接连接或复合时，较大的应力出现是降低材料使用可靠性的关键因素。无论复合材料制备过程还是服役过程，因温度变化引发的残余应力是复合材料损伤和破坏的重要因素。在复合材料的两相界面处，热膨胀系数的急剧改变导致奇异点，伴随着在界面层弹性应力趋向无穷大。若让性能在材料厚度方向连续改变，则奇异点可消失。这样一种设计允许热膨胀系数逐步改变，使加热或冷却过程引起的热应力最小化，故FGMs(梯度功能材料)提供了一种解决热应力问题的途径。因此FGMs用于热防护材料具有绝对的优势。
[0003]SiC密度低(3.2g/cm3)，强度高、热导率高，抗氧化性好(可在1600°C的氧化气氛下长期使用)，耐磨损性和耐冲刷性好，耐腐蚀性优良，热膨胀系数小(25?1400°C，4.4 X 10—6/°C)，是最有潜力的热结构材料之一。但由于SiC陶瓷的韧性较差，抗热冲击性能较差，限制了其在大温度落差环境中的应用。可与SiC复合形成高韧性材料的耐高温材料应主要具备以下特征:具有高熔点；与SiC之间具有弱结合界面;与SiC具有良好的热物理和化学相容性。Ti3SiC2是满足以上条件的新型类金属陶瓷，且Ti3SiC2与SiC在化学动力学上稳定共存。Ti3SiC2兼有金属和陶瓷的优点，它象金属一样，是极好的电和热的导体，相当柔软，极易加工，耐热震性好。它象陶瓷一样，抗氧化(I 100°c以下抗氧化性好)且相当耐火，而且它可以提供今天最好的超合金所不能提供的高温强度。Ti3SiC2的理论密度为4.53g/cm3，熔点高达3000°C，在1700°C以下真空及惰性气氛中不分解，且与SiC之间具有高温化学相容性。Ti3SiC2结构中存在的层间弱结合价键使其具有平行于基面的开裂能力，在断裂时表现出R曲线行为，韧性可达16MPa.mV2，远高于SiC的断裂韧性(2?3MPa.mV2) Ji3SiC2在1100°C以上的抗氧化性能低于SiC，且高温抗蠕变性低，但若Ti3SiC2与SiC相互弥散分布，受SiC晶粒的保护和制约，将提尚其在尚温环境中的适应性。
[0004]SiC极强的共价键导致难以烧结获得致密的SiC陶瓷和SiC含量较高的SiC基复合材料。以往的文献报道中Ti3SiC2/SiC复合材料中SiC含量一般不超过30vol.%。当SiC质量含量达到30wt.%以后，Ti3SiC2/SiC复合材料致密度下降，组织结构变得疏松。SiC陶瓷往往需要2000°C以上的高温和50?10MPa的高压才能烧结，如何降低SiC陶瓷的烧结温度目前尚为一挑战性的课题。对于功能梯度材料，在较宽范围的两相体积分数内获得均匀的烧结速率目前亦为一个极大的挑战，因烧结速率随着每相的属性和性质的不同而明显地改变。SiC远较Ti3SiC2难以烧结，导致生坯中两种成分不同混合比例的各层间烧结不平衡。Ti3SiC2在1700°C以下真空及惰性气氛中不分解，而在1700°C以上可能分解，因此降低SiC的烧结温度尤为重要。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷和不足，本发明的目的是给出一种能实现高致密度且密度均匀的Ti3SiC2/SiC功能梯度材料的制备方法，以期克服传统的烧结方法难以达到平衡烧结及高致密度的问题。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤:
[0007]—种Ti3SiC2/SiC功能梯度材料的制备方法，其特征在于，包括将Ti3SiC2粉体与SiC粉体在模具内逐层梯度混配后制成坯料，坯料在模具内进行真空热压烧结后得到坯体，再将坯体依次进行浸渍增密处理和热解处理；
[0008]所述的SiC粉体包括微米β-SiC粉体和纳米β-SiC粉体；
[0009]所述的浸渍增密包括将坯体中含有60vol.%SiC?lOOvol.%SiC的梯度层进行浸渍增密处理。
[0010]具体的，在所述的坯料与模具间垫放石墨纸，坯料在模具中进行真空热压烧结后得到外层融合有石墨纸的坯体，浸渍增密前将含有60vol.%SiC?lOOvol.%SiC的坯体外的石墨纸去掉后再将坯体进行浸渍增密处理。
[0011]更具体的，所述的真空热压烧结的温度为1600?1700°C，烧结压力为25MPa;
[0012 ]进一步的，所述的微米β-s i C粉体的粒径为2?4μηι，所述的纳米β-S i C粉体的粒径为50?I OOnm;纳米SiC粉体的总加入量占SiC粉体总质量的18?20wt %。
[0013]更进一步的，所述的Ti3SiC2粉体按T1: S1: Al: C = 3:1.15:0.05:2摩尔比例配料，Ti的粒径为25?35ym，Si的粒径为20?30ym，C的粒径为6?8μπι，Α1的粒径为0.5?Ιμπι，其中Al可以抑制中间相TiC的生成，使原位反应完全生成Ti3SiC2,使烧结产物符合预设的成分空间分布O
[0014]另外，在含有50vol.%SiC粉体?10vol.%SiC粉体的坯料层中还加入烧结助剂，所述的烧结助剂为B、C和Al。
[0015]具体的，按质量百分比计，B的加入量为坯料层中SiC粉体质量的0.5?1.0wt%;C的加入量为坯料层中SiC粉体质量的1.0?3.0wt%;Al的加入量为坯料层中SiC粉体质量的0.5?1.5wt% $的粒径为0.5?lym;C为6?8μπι;Α1的粒径为0.5?Ιμπι。
[0016]还有，所述的浸渍增密处理的浸渍液为聚碳硅烷液体，聚碳硅烷液体的密度为0.998g/cm3;所述的热解包括将浸渍增密后的坯料在1000°C及0.2MPa的氩气保护下进行热解。
[0017]将Ti3SiC2粉体与SiC粉体在模具内逐层梯度混配后制成层数为11层的坯料，按体积百分比计，11层坯料中各层的成分依次包括100vol.^Ti3SiC2粉体层、90vol.^Ti3SiC2粉体和1vol.%SiC粉体混合层、80vol.^Ti3SiC2粉体和20vol.%SiC粉体混合层、70vol.^Ti3SiC2粉体和30vol.%SiC粉体混合粉体层、60vol.^Ti3SiC2粉体和40vol.%SiC粉体混合层、50vol.^Ti3SiC2粉体和50vol.%SiC粉体混合层、40vol.^Ti3SiC2粉体和60vol.%SiC粉体混合层、30vol.^Ti3SiC2粉体和70vol.%SiC粉体混合层、20vol.%Ti3SiC 2粉体和80vol.% SiC粉体混合层、1vol.^Ti3SiC2粉体和90vol.% SiC粉体混合层及100vol.%SiC粉体层；
[0018]所述的Ti3SiC2粉体按T1: S1: Al: C = 3:1.15:0.05: 2摩尔比例配料，Ti的粒径为25?35ym，Si的粒径为20?30ym，C的粒径为6?8μπι，Α1的粒径为0.5?Ιμπι;
[0019]各个包含SiC粉体的梯度层中，微米SiC粉体和纳米SiC粉体的混合比例为:
[0020]100vol.%SiC粉体层、90vol.%SiC粉体层和80vol.%SiC粉体层中的SiC粉体包括70wt.%微米3;[(]粉体和3(^1:.%纳米SiC粉体；
[0021 ] 70vol.%SiC粉体层和60vol.%SiC粉体层中的SiC粉体包括80wt.%微米SiC粉体和20wt.%纳米SiC粉体；
[0022]50vol.%SiC粉体层中的SiC粉体包括90wt.%微米SiC粉体和1wt.%纳米SiC粉体；
[0023]4(^01.%5丨(:粉体层、3(^01.%5丨(:粉体层、2(^01.%5丨(:粉体层和1(^01.%5丨(:粉体层中的s i C粉体包括微米S i C粉体。
[0024]具体的，所述的模具包括两个可开合的半圆柱状模具壁、底盖、顶盖、垫片和压杆。
[0025]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0026](I)本发明制备的Ti3SiC2/SiC功能梯度材料沿厚度方向自Ti3SiC2向SiC包含多个梯度层(可根据需要进行设计)，在各个梯度层内结构均匀致密，各个梯度层间界面有适中的结合，力学强度高，断裂韧性好，高温下抗氧化性能好，抗热震性好，可制备成厚度为8?15mm的11个梯度层的Ti3SiC2/SiC功能梯度材料，Ti3SiC2/SiC功能梯度材料可应用于航空航天材料中的热结构与热防护领域，并可推广于Ti3SiC2与SiC陶瓷间的固相焊接材料，也为S i C脆性陶瓷的应用拓宽了思路；
[0027](2)本发明采用热压烧结结合真空-加压定位浸渍的方法制备Ti3SiC2/SiC功能梯度材料，不仅降低了烧结温度，避免Ti3SiC2在高温下分解，且通过定位浸渍弥补了 SiC梯度层和富SiC过渡层由于烧结不平衡导致的致密度低的缺陷，使整个梯度材料相对密度高，各个梯度层结构均匀致密。
[0028](3)本发明采用β-SiC粉体作为SiC相的原材料，并引入少量纳米β-SiC粉促进烧结。β-SiC在降低烧结温度的同