专利名称：一种原位反应热压制备锆铝硅碳陶瓷块体材料的方法
技术领域：
本发明涉及耐超高温陶瓷的制备技术，特别提供了一种原位反应热压制备锆
铝硅碳(Zr3[Al(Si)]4C^nZr2[Al(Si)]4C5)陶瓷块体材料的方法。
背景技术：
锆铝硅碳(Zr3[Al(Si)]4CjQZr2[Al(Si)]4C5)陶瓷块体材料是新型的耐超高^显、 抗氧化的三元材料。它们综合了高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蚀、高电导率、 热导率、较强的破坏容忍性等优点。在航空、航天、核工业、超高温结构件等高 新技术领域都有广泛的应用前景。尽管锆铝硅碳(Zr3[Al(Si)]4C^nZr2[Al(Si)]4C5) 块体材料具有如此优异的性能，制备上的困难限制了对其性能的研究与它的应用。 迄今为止关于锆铝硅碳(Zr3[Al(Si)]4C^n Zr2[Al(Si)]4C5)陶瓷±央#+才料制备方面 的文献报道只有两篇。文献1 (J. Mater. Res.(材I^J开究学报)22 (2007) 2888)和文献 2 (J. Solid State Chem.(固态化学杂志)180 (2007) 1809)中用电脉冲烧结技术在 1700°C， 40MPa压力下分别烧结了Zr3[Al(Si)]4C6和Zr2[Al(Si)]4C^材才料。他们先 在真空炉里合成Zr3[Al(Si)]4C6、 Zr2[Al(Si)]4Q粉，然后把获得的粉体烧结成±央体。 这种非原位合成的方法过程复杂，样品成型尺寸较小，不利于测试材料的力学性 能和将来的应用。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种原位反应热压制备锆铝硅碳(Zr3[Al(Si)]4C6和 Zr2[Al(Si)]4C5)超高温陶瓷块体材料的方法。该方法以Zr粉、Al粉、Si粉禾口 C 粉为原料，在较低Mlt，短时间内合成了高纯度、致密的锆铝硅碳(Zr3[Al(Si)]4C6 和Zr2[Al(Si)]4C5) ±央体材料，可以解决现有非原位合成的方法过程复杂、样品成 型尺寸较小等问题。
本发明的技术方案如下
一种原位反应热压制备锆铝硅碳陶瓷块体材料的方法，该方纟封寺征在于
1) 原料组成及成分范围
3以Zr粉、Al粉、Si粉和C粉为原料，按化学计量比，Zr: Al: Si: C = (2-3): (3-5) :(0.3—1.5) ，7);
按化学计量比，Zr : Al : Si: C = 3 : (3-5) : (0.3-1.5) : (5-7)，合成单相 Zr3[Al(Si)]4C6;
按化学计量比，Zr : Al : Si : C = 2 : (3-5) : (0.3-1.5) : (^6)，合成单相 Zr2[Al(Si)]4C5;
合成Zr3[Al(Si)]4C6、 Zr2[Al(Si)]4C5复合材料时，化学计量比在以上两个比例 之间调节。
2) 制备工艺
原料经过球磨5-50小时，以5-20MPa的压力常纟显下冷压成饼状，装入石墨 模具中，在通有惰性气体(如氩气)作为保护气(或真空下，真空度高于10—'Pa) 的热压炉中以2-5(fC/min (优选为5-30°C/min)的升温速率升至1600°C-2400°C 原位热压反应0.14小时(,为0.5-2小时)，热压压力为2(M0MPa。
本发明中，Zr粉、Al粉和C粉的粒度为200-400目；采用本发明方法获得的 锆铝硅碳陶瓷i央体材料大小在O (25-100) mmX (2-50) mm。
本发明的特点是
1. 本发明选用原料简单，分别是Zr粉、Al粉、Si粉和C粉。
2. 本发明通过原位反应热压，烧结与致密化同时进行，获得单相致密的锆铝 硅碳(Zr3[Al(Si)]4CjQZr2[Al(Si)]4C5) 土央体材料。
3. 采用本发明方法获得的材料使用环境温度可以在室温至大于1600°C的超 高温下使用，比Zr3M3C5、 Zr2Al3C4和Zr€具有更好的抗高温氧化性能。
图1.Zr3[Al(Si)]4C6的X-射线衍射图谱。
图2.反应产物ZT3[Al(Si)LC6的扫描电镜照片。
图3. Zr2[Al(Si)]4C5的X-射线衍射图谱。
图4.反应产物Zr2[Al(Si)]4C5晶粒形貌的扫描电镜照片。
图5. Zr3[Al(Si)]4C6、 Zr2[Al(Si)]4Q和Zr3Al3C5的三相复合材料的扫描电镜照片。
具体实施例方式
下面通过实施例详述本发明。
4实施例1.
原料采用粒度为300目左右的Zr粉100.0克、Al粉39.5克、Si粉8.2克和C 粉25.9克，球磨10小时，在15MPa的压力下冷压成饼状，装入石墨模具中，在 通有惰性气体(氩气)作为保护气的热压炉中以10°C/min的升温速率升至2000°C 原位反应热压l小时，热压压力为30MPa。获得的主要反应产物经X-射线衍射 分析为Zr3[Al(Si)]4C6。相应的X-射线衍射图谱，扫描电镜照片，分别列在附图l-2 上。该反应产物的动态杨氏模量和剪切模量分别为367 GPa和156GPa。
实施例2.
原料采用粒度为400目左右的Zr粉100.0克、Al粉59.1克、Si粉12.3克和 C粉32,3克，球磨15小时，在20MPa的压力下冷压成饼状，装入石墨模具中， 在真空下(真空度为l(T2Pa)的热压炉中以15 °C/min的升温速率升至1900。C原 位反应热压0.5小时，热压压力为30MPa。获得的主要反应产物经X-射线衍射分 析为ZT2[Al(Si)]4C5。相应的X-射线衍射图谱，晶粒形貌扫描电镜照片，分别列在 附图34上。该反应产物的动态杨氏模量和剪切模量分别为361 GPa和153GPa。
实施例3.
原料采用粒度为200目左右的Zr粉100.0克、Al粉45.5克、Si粉10.2克和 C粉293克，球磨20小时，在10MPa的压力下冷压成饼状，^A石墨模具中， 在通有氩气作为保护气的热压炉中以20 。C/min的升温速率升至1800°C原位反应 热压4小时，热压压力为40 MPa。获得的主要反应产物经X-射线衍射分析为 Zr3[Al(Si)]4C6、 Zr2[Al(Si)]4C5禾Q Zr3Al3C5的三相复合材料，Zr3[Al(Si)]4C6、 Zr2[Al(Si)]4Q和Zr3Al3C5的重量百分比分别为60。/。， 20%和20%。相应的X-射线 衍射图谱列在附图5上。
由实施例3可以看出，获得Zr3[Al(Si)]4C6、 Zr2[Al(Si)]4C5禾卩Zr3Al3Cs三相复 合材料的原料粉按如下调节Zr: Al: Si: C = (2—3): (3—5): (03—1.5): (f7)。
权利要求
1、一种原位反应热压制备锆铝硅碳陶瓷块体材料的方法，其特征在于1)原料组成及成分范围以Zr粉、Al粉、Si粉和C粉为原料，按化学计量比，Zr:Al:Si:C＝(2-3):(3-5):(0.3-1.5):(4-7)；2)制备工艺原料经过球磨5-50小时，以5-20MPa的压力冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有惰性气体作为保护气或真空的热压炉中升至1600℃-2400℃原位反应热压0.1-4小时，热压压力为20-40MPa。
2、 按照权利要求1所述的原位反应热压制备锆铝硅碳陶瓷±央#+才料的方法， 其特征在于所述步骤2)中，热压炉的升温速率为2-50°C/min。
3、 按照权利要求1所述的原位反应热压制备锆铝硅碳陶瓷块体材料的方法， 其特征在于所述步骤l)中，按化学计量比，Zr:Al:Si:C = 3:(3—5):(0.3-1.5):(5—7)，合成单相ZT3[Al(Si)]4C6。
4、 按照权利要求1所述的原位反应热压制备锆铝硅碳陶瓷±央体材料的方法， 其特征在于所述步骤1)中，按化学计量比，Zr: Al: Si: C = 2 : (3-5) : (0.3-1.5):(")，合成单相ZT2[Al(Si)]4C5。
全文摘要
本发明涉及耐超高温陶瓷的制备技术，特别提供了一种原位热压反应制备陶瓷锆铝硅碳(Zr<sub>3</sub>[Al(Si)]<sub>4</sub>C<sub>6</sub>和Zr<sub>2</sub>[Al(Si)]<sub>4</sub>C<sub>5</sub>)块体材料的方法，可以解决现有非原位合成的方法过程复杂、样品成型尺寸较小等问题。采用一定化学计量比的Zr粉、Al粉、Si粉和C粉为原料，原料经过球磨5-50小时，以5-20MPa的压力冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有惰性气体(如氩气)作为保护气(或真空下)的热压炉中以2-50℃/min的升温速率加热至1600℃-2400℃原位热压反应0.1-4小时，热压压力为20-40MPa。本发明可以在较低温度下、短时间内合成高纯度、高强度、耐腐蚀等性能的锆铝硅碳块体材料，采用本发明方法获得的材料可以在大于1600℃的超高温下使用。
文档编号C04B35/52GK101531514SQ20081001061
公开日2009年9月16日 申请日期2008年3月12日 优先权日2008年3月12日
发明者何灵峰, 包亦望, 周延春 申请人:中国科学院金属研究所