专利名称：一种ZrB<sub>2</sub>-SiC<sub>nm</sub>超高温陶瓷复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法。
背景技术：
由于&B2的熔点高，硬度大，以及具有良好的耐腐蚀与耐氧化性能，所以可用做高 温陶瓷材料，适于制作火箭喷嘴、燃烧室内衬、磁流体发电的电极材料以及其他场合的高温 结构件等。但陶瓷是强共价键化合物，烧结致密比较困难，且具有陶瓷材料的本征脆 性，需要添加第二相。通常添加SiC，对&b2基体起到加快烧结致密过程、提高致密度、改善 陶瓷强韧性和抗氧化性能。纳米SiC颗粒增韧效果虽不如晶须和纤维，但由于其原料混合 均勻化及烧结致密化都比SiC晶须和SiC纤维复合材料简便易行，同时也会带来高温强度 和高温蠕变性能的改善。因此纳米SiC颗粒增韧陶瓷基复合材料同样受到重视，国内外已 有纳米颗粒增韧陶瓷复合材料的研究。纳米SiC相的引入能抑制&b2基体晶粒的异 常长大，使基体结构均勻细化，最终得到高性能的^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料。ZrB2-SiCnm复合材料是一种重要的超高温陶瓷(UHTCs)，其高温强度和高温抗氧 化性能优异，因而能够胜任于包括超高音速长时飞行、再入大气层、跨大气层飞行和火箭推 进系统等极端环境。现有的^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料通常采用传统的热压烧结工 艺，存在烧结周期长、设备昂贵、长时间高温过程导致晶粒迅速长大的缺点。目前，为了克服 ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料存在的缺陷，在制备方法上多采用压力作用；快速升温、降 温；瞬时或短时间高温烧结；电活化作用、磁活化作用。虽然这些方法均具有促进快速烧结 致密化和控制晶粒长大的作用，但是这些工艺本身也存在设备昂贵、工艺操作复杂及合成 困难的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有制备ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备工艺 操作复杂、合成困难、设备昂贵且烧结周期长，得到的产品晶粒粗大的问题，而提供一种 ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法。本发明ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法按以下步骤实施一、用钢堵 头(2)封闭无缝钢管(1)的下端口后，将^B2-SiCnm预混合粉装入无缝钢管(1)内，然后 用另一个钢堵头(2)封闭无缝钢管(1)的上端口 ；二、将圆锥形木块(3)的底面粘到无缝 钢管(1)的顶端端面上，然后放置于圆柱形纸板模具(4)内，而后将炸药以密度为0.8 1.2g/mm3均勻填满圆柱形纸板模具(4)；三、将电雷管(5)镶嵌于炸药内，用爆破仪引爆电 雷管(5)，实施爆破；四、将爆炸压实后得到的无缝钢管(1)放入真空度为0. 1 lPa、温度 为600 800°C的真空条件下，保温1 3h，随炉冷却至室温，然后去掉无缝钢管(1)，即得 ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料；其中步骤一中装入的纳米SiC粉末与微米&B2粉末的混 合粉，初装密度为2. 0 2. 5g/mm3,纳米SiC粉末与微米&B2粉末的体积百分比分别为5 30% 70 95% ；步骤一中无缝钢管(1)的钢管外径为20 24mm，内径为15 18mm，长度为110 200mm ；步骤一中钢堵头(2)的厚度为12 20mm，直径与无缝钢管(1)的内径 相同；步骤一中钢堵头(2)与无缝钢管(1)的钢材质相同；步骤二中圆锥形木块(3)的高 度为16 20mm，直径与无缝钢管(1)的外径相同；步骤二中圆柱形纸板模具(4)的外径为 70 100mm，厚度为1 2mm，长度为150 250mm ；步骤二中无缝钢管(1)的纵向中心轴线 与圆柱形纸板模具(4)的纵向中心轴线位于同一轴线上；步骤三中雷管(5)竖放的位置与 圆柱形纸板模具(4)的纵向中心轴线位于同一直线上。本发明得到的ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料，经测量直径为10 14mm，长度为 96 160mmo本发明采用爆炸烧结法在爆破瞬间升温时间为40 80ns，升温速度为IOiciIO11K/ s,升温时间极短、速度极快，使得表面温度超过熔点，颗粒表面形成极薄熔化层，短周期实 现摩擦焊合而得到高度致密的烧结体；而在爆破过程中，又因固-液界面蓄积大量能量， 能量通过颗粒表面向心部迅速传导，降温速度瞬间达到IO8 109K/s，使本发明得到的 ^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的致密度> 96%的理论密度，且纳米晶粒几乎不长大；设 备成本低廉，制备工艺操作简单、容易合成。
图1是^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料制备装置的主视剖面图；图2是具体实施 方式二十一爆炸压实^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料扫描电镜图；图3是未经过爆炸压实 的ZrB2-SiCnm预混合粉扫描电镜图。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方式
间的 任意组合。
具体实施方式
一如图1所示，本实施方式^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备 方法按以下步骤实施一、用钢堵头(2)封闭无缝钢管(1)的下端口后，将^B2-SiCnm预混 合粉装入无缝钢管(1)内，然后用另一个钢堵头(2)封闭无缝钢管(1)的上端口 ；二、将圆 锥形木块(3)的底面粘到无缝钢管(1)的顶端端面上，然后放置于圆柱形纸板模具(4)内， 而后将炸药以密度为0.8 1.2g/mm3均勻填满圆柱形纸板模具(4)；三、将电雷管(5)镶嵌 于炸药内，用爆破仪引爆电雷管(5)，实施爆破；四、将爆炸压实后得到的无缝钢管(1)放入 真空度为0. 1 lPa、温度为600 800°C的真空条件下，保温1 3h，随炉冷却至室温，然 后去掉无缝钢管(1)，即得^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料；其中步骤一中装入的纳米SiC 粉末与微米粉末的混合粉，初装密度为2. 0 2. 5g/mm3,纳米SiC粉末与微米&B2粉 末的体积百分比分别为5 30% 70 95%;步骤一中无缝钢管(1)的钢管外径为20 24mm,内径为15 18mm，长度为110 200mm ；步骤一中钢堵头(2)的厚度为12 20mm， 直径与无缝钢管(1)的内径相同；步骤一中钢堵头(2)与无缝钢管(1)的钢材质相同；步骤 二中圆锥形木块(3)的高度为16 20mm，直径与无缝钢管(1)的外径相同；步骤二中圆柱 形纸板模具(4)的外径为70 100mm，厚度为1 2mm，长度为150 250mm ；步骤二中无 缝钢管(1)的纵向中心轴线与圆柱形纸板模具(4)的纵向中心轴线位于同一轴线上；步骤 三中雷管(5)竖放的位置与圆柱形纸板模具(4)的纵向中心轴线位于同一直线上。
本实施方式步骤一中纳米SiC粉末和微米&b2粉末在市场上均可以购得。本实施方式步骤二中圆锥形木质块3的底面粘到无缝钢管的顶端端面上，圆锥形 木块3的直径与无缝钢管的外径相同，圆锥形木质块3的作用是改变爆轰波形状，使能量传 递更均勻。本实施方式步骤三中采用炸药爆炸的目的是压缩无缝钢管，进而压实钢管内 ZrB2-SiCnm预混合粉。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中装入的 ZrB2-SiCnm预混合粉的密度为2. 2 2. 4g/mm3。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中装入的 ^B2-SiCnm预混合粉的密度为2. 3g/mm3。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中无缝钢管1的 钢管外径为21 23mm、内径为16 17mm、长度为140 180mm。其它与具体实施方式
一相 同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中无缝钢管1的 钢管外径为22mm、内径为16mm、长度为160mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中钢堵头2的厚 度为14 18mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中钢堵头2的厚 度为16mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中圆锥形木块3 的高度为17 19mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中圆锥形木块3 的高度为18mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中圆柱形纸板模 具4的外径为80 90mm，厚度为1. 2 1. 8mm,长度为180 220mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中圆柱形纸板 模具4的外径为85mm，厚度为1. 5mm，长度为200mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中将炸药以密 度为0. 9 1. lg/mm3均勻填满圆柱形纸板模具4内。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中将炸药以密 度为lg/mm3均勻填满圆柱形纸板模具4内。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中炸药为硝酸 脲炸药、硝酸铵炸药、TNT炸药及黑索金炸药的一种或几种。其它与具体实施方式
一相同。本实施方式中炸药由两种或两种以上组成时各组分按任意比例混合。本实施方式炸药种类及其主要特性如表1所示。表 权利要求
一种ZrB2 SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于ZrB2 SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法按以下步骤实施一、用钢堵头(2)封闭无缝钢管(1)的下端口后，将ZrB2 SiCnm预混合粉装入无缝钢管(1)内，然后用另一个钢堵头(2)封闭无缝钢管(1)的上端口；二、将圆锥形木块(3)的底面粘到无缝钢管(1)的顶端端面上，然后放置于圆柱形纸板模具(4)内，而后将炸药以密度为0.8～1.2g/mm3均匀填满圆柱形纸板模具(4)；三、将电雷管(5)镶嵌于炸药内，用爆破仪引爆电雷管(5)，实施爆破；四、将爆炸压实后得到的无缝钢管(1)放入真空度为0.1～1Pa、温度为600～800℃的真空条件下，保温1～3h，随炉冷却至室温，然后去掉无缝钢管(1)，即得ZrB2 SiCnm超高温陶瓷复合材料；其中步骤一中装入的纳米SiC粉末与微米ZrB2粉末的混合粉，初装密度为2.0～2.5g/mm3，纳米SiC粉末与微米ZrB2粉末的体积百分比分别为5～30％∶70～95％；步骤一中无缝钢管(1)的钢管外径为20～24mm，内径为15～18mm，长度为110～200mm；步骤一中钢堵头(2)的厚度为12～20mm，直径与无缝钢管(1)的内径相同；步骤一中钢堵头(2)与无缝钢管(1)的钢材质相同；步骤二中圆锥形木块(3)的高度为16～20mm，直径与无缝钢管(1)的外径相同；步骤二中圆柱形纸板模具(4)的外径为70～100mm，厚度为1～2mm，长度为150～250mm；步骤二中无缝钢管(1)的纵向中心轴线与圆柱形纸板模具(4)的纵向中心轴线位于同一轴线上；步骤三中雷管(5)竖放的位置与圆柱形纸板模具(4)的纵向中心轴线位于同一直线上。
2.根据权利要求1所述的一种^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在 于步骤一中装入的ZrB2-SiCnm预混合粉，初装密度为2. 2 2. 4g/mm3。
3.根据权利要求1或2所述的一种^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特 征在于步骤一中无缝钢管(1)的钢管外径为21 23mm、内径为16 17mm、长度为140 180mmo
4.根据权利要求3所述的一种^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在 于步骤二中圆锥形木块(3)的高度为17 19mm。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法，其 特征在于步骤二中将炸药以密度为0.9 l.lg/mm3均勻填满圆柱形纸板模具(4)内。
6.根据权利要求5所述的一种^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在 于步骤二中炸药为硝酸脲炸药、硝酸铵炸药、TNT炸药及黑索金炸药中的一种或几种。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法， 其特征在于步骤二中圆柱形纸板模具(4)的外径为80 90mm，厚度为1. 2 1. 8mm，长度 为 180 220mm。
8.根据权利要求7所述的一种^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在 于步骤四中真空度为0. 3 0. 7Pa。
9.根据权利要求8所述的一种^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在 于步骤四中温度为650 750°C。
10.根据权利要求9所述的一种^B2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在 于步骤四中保温时间为1. 5 2. 5h。
全文摘要
一种ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的制备方法，它涉及一种超高温陶瓷复合材料的制备方法。它解决了现有制备ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料的工艺复杂、设备昂贵且制备周期长，得到的产品晶粒粗大的问题。制备方法一、将纳米SiC粉末与微米ZrB2粉末放入行星式球磨机混合均匀，然后把ZrB2-SiCnm预混合粉装入无缝钢管内；二、将圆锥形木块的底面粘到无缝钢管顶端端面上，装炸药；三、实施爆破；四、将爆炸压实后得到的无缝钢管在真空条件下热处理，冷却后去掉无缝钢管，得到直径为10～14mm、长度为96～160mm的ZrB2-SiCnm超高温陶瓷复合材料。此方法制备工艺操作简单、容易合成、设备成本低廉，得到的产品致密度高且纳米晶粒几乎不长大，适合工业化生产。
文档编号C04B35/58GK101948314SQ20101028470
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者刘时强, 孟松鹤, 张宇民, 李金平, 韩杰才 申请人:哈尔滨工业大学