专利名称：一种二硼化锆-石墨陶瓷基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于陶瓷基复合材料技术领域，涉及一种具有高抗热、抗冲击性能的陶 瓷基复合材料及其制备方法。
背景技术：
目前，空间飞行器表面的热防护材料主要是通过碳化、升华或者熔化等消耗自 身的烧蚀型机制带走热量。随着空间技术的快速发展，高超声速(M&5)、长时间(一 般t>15min)的服役特征对飞行器的热防护材料和结构提出了苛刻的要求。高超声速飞 行器在极端的气动加热条件下，其关键部件，如鼻锥、翼前缘等由于氧化烧蚀引起的钝 化、失效，会影响飞行器的升阻比、机动性和飞行效率，对飞行器的安全和飞行速度等 也会产生消极影响。现有的热防护材料体系在耐温性、抗氧化性、能量传导与耗散效率 以及有效服役时间等方面都难以满足高超声速飞行器的实际需求。由于二硼化锆(ZrB2)基陶瓷具有高熔点、高硬度、导热性好、高温强度高、热 膨胀系数适中等特点，已成为未来高超声速飞行器关键热防护部件的首选材料之一。然 而，因韧性较低导致的较低的抗热冲击性能一直是限制ZrB2基超高温陶瓷材料应用的关 键因素，这个弱点是由于陶瓷的共价键和离子键的本质所决定的，较低的抗热冲击性能 导致ZrB2基超高温陶瓷材料在实际服役过程中，特别是飞行器起飞和大气再入阶段受到 巨大的热应力作用时发生灾难性破坏，这直接威胁着飞行器的安全。要提高陶瓷材料的 断裂韧性和抗热冲击性能，首先要避免陶瓷中出现大的微裂纹源，这需要从陶瓷的具体 组分上加以调节，在烧结工艺方面加以改进。在陶瓷的具体组分上，通常是添加碳纤维、氧化锆、碳化硅晶须等增韧二 硼化锆(ZrB2)基陶瓷，其中用碳化硅颗粒增强的二硼化锆(ZrB2)基陶瓷，即二硼化 锆-碳化硅陶瓷基复合材料具有相对较好性能，其强度高于800MPa，断裂韧性低于 5.0MPa · m1/2,临界裂纹尺寸低于39 μ m、代表抗热冲击性能的临界温差达到300°C左 右。但是二硼化锆-碳化硅陶瓷仍无法满足目前飞行器实际服役环境的需要。
发明内容
本发明的目的，是制备一种具有高抗热、抗冲击性能的二硼化锆陶瓷基复合材 料，以达到航天领域高超声速环境对材料的要求。本发明的目的是通过以下技术方案实现的一种二硼化锆-石墨陶瓷基复合材料，其特征在于，是以二硼化锆粉末和石 墨片为原料，采用热压烧结方法制成的，原料二硼化锆粉末和石墨片的纯度为95.0 99.9%,其体积比为二硼化锆粉末75 95%、石墨片5 25%，二硼化锆粉末平均粒径 为1 5微米，石墨片径向方向平均宽度为10 20微米、轴向方向平均厚度为1 3微 米。当原料体积比为二硼化锆粉末75 85%、石墨片15-25%，纯度高于98.0%时，效果较好。本发明二硼化锆-石墨陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，以纯度为 95.0 99.9%的二硼化锆粉末和石墨片为原料，二硼化锆粉末平均粒径为1 5微米，石 墨片径向方向平均宽度为10 20微米、轴向方向平均厚度为1 3微米，按二硼化锆粉 末75 95%、石墨片5 25%的体积比将两种原料混合并搅拌均勻；将将混合均勻后的 干燥原料在真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为1850°C 2150°C，烧结压力为30 45MPa,烧结时间为45 90分钟。上述制备方法烧结过程的最佳工艺参数为烧结温度1950 2150°C、烧结压力 35 45MPa、烧结时间60 90分钟。为将二硼化锆粉末和石墨片搅拌均勻，可以采用球磨机，搅拌时可放入无水乙 醇或丙酮等分散介质，为提高分散效果，防止硼化锆粉末和石墨粉末在球磨过程中分 层，球磨机的转速可以为200 260rpm，二硼化锆粉末和石墨片充分混合均勻后，将混 合后的浆料烘干成混合粉料，烘干温度可以控制在40 65°C，干燥后的混合粉料还可以 用研钵研磨，以使原料充分分散。通过力学性能、水淬热冲击、热冲击后弯曲强度的测试，测得本发明的二硼化 锆_石墨陶瓷基复合材料断裂韧性为3.6 4.1MPa · m1/2,弯曲强度为268 299MPa， 临界裂纹尺寸为174.1 201.1 μ m，临界温差为405 525°C，与现有的二硼化锆-碳化 硅陶瓷基复合材料(临界裂纹尺寸为26.6 μ m，临界温差为385°C )相比，本发明抗热冲 击温差明显提高，临界裂纹尺寸明显增大，显著地改善了二硼化锆陶瓷基复合材料的抗 热冲击性能，能够达到航天领域高超声速环境下的使用要求。
具体实施例方式实施例1，二硼化锆_石墨陶瓷基复合材料的制备和性能测试。1、制备(1)原料二硼化锆粉末平均粒径为1 2微米，石墨片径向方向平均宽度为19 20微米、轴向方向平均厚度为1 2微米，两种粉末的纯度均高于99.9%，体积比为硼化 锆85%、石墨片15% ；(2)混料把原料放入磨球材料为氧化锆的行星式球磨机中混合，分散介质为 无水乙醇，球磨机的转速为200 260rpm，混合后的浆料在旋转蒸发器上烘干成混合粉 料，蒸发水浴的温度为40 65°C，将干燥后的混合粉料用玛瑙研钵反复研磨。(3)烧结研磨后得到的混合粉料于真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为 1950°C,烧结压力为35MPa，烧结时间为60分钟。2、性能测试⑴试样规格A 36mm X 4mm X 3mm, B 22mm X 4mm (2mm 缺口)X 2mm。(2)力学性能测试在INSTRON万能力学测试机上，测试A规格试样的弯 曲强度，载荷加载速率为0.5mm/min ；测试B规格试样的断裂韧性，载荷加载速率为 0.05mm/min,缺口朝下。每一组试样测试10个数据。(3)水淬热冲击测试将A规格试样表面光洁度打磨至1微米，并进行倒角处理，然后在空气中加热至一定温度后，保温5分钟，再快速放入冷水中。加热温度选择 2000C> 3000C> 4000C> 500°C和600°C，试样从加热炉到水槽中的时间低于0.2秒。(4)热冲击后弯曲强度测试从水槽中捞出试样，自然风干后，在INSTRON万 能力学测试机上，测试该试样的弯曲强度，载荷加载速率为0.5mm/min，每一组试样测 试10个数据。测试结果如下表
权利要求
1.一种二硼化锆-石墨陶瓷基复合材料，其特征在于，是以二硼化锆粉末和石墨片为 原料，采用热压烧结方法制成的，原料二硼化锆粉末和石墨片的纯度为95.0 99.9%， 其体积比为二硼化锆粉末75 95%、石墨片5 25%，二硼化锆粉末平均粒径为1 5 微米，石墨片径向方向平均宽度为10 20微米、轴向方向平均厚度为1 3微米。
2.如权利要求1所述的二硼化锆-石墨陶瓷基复合材料，其特征在于，原料二硼化锆 粉末和石墨片的纯度高于98%，体积比为二硼化锆粉末75 85%、石墨片15-25%。
3.如权利要求1所述的二硼化锆-石墨陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，以 纯度为95.0 99.9%的二硼化锆粉末和石墨片为原料，二硼化锆粉末平均粒径为1 5微 米，石墨片径向方向平均宽度为10 20微米、轴向方向平均厚度为1 3微米，按二硼 化锆粉末75 95%、石墨片5 25%的体积比将两种原料混合并搅拌均勻；将混合均勻 后的干燥原料在真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为1850°C 2150°C，烧结压力为 30 45MPa，烧结时间为45 90分钟。
4.如权利要求3所述的二硼化锆-石墨陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，原 料二硼化锆粉末和石墨片的纯度均高于98.0%，体积比为二硼化锆粉末75 85%、石 墨片15-25%，热压烧结的温度为1950 2150°C，烧结压力为35 45MPa，烧结时间为 60 90分钟。
5.如权利要求3或4所述的二硼化锆_石墨陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在 于，将原料二硼化锆粉末和石墨片混合并搅拌均勻的方法为把原料放入球磨机中混 合，分散介质为无水乙醇或丙酮，球磨机的转速为200 260rpm，混合均勻后在40 65°C温度下烘干，干燥后的混合粉料用研钵研磨。
全文摘要
一种二硼化锆-石墨陶瓷基复合材料及其制备方法，本发明属于陶瓷基复合材料技术领域，涉及一种具有高抗热、抗冲击性能的陶瓷基复合材料及其制备方法。其特征在于，是以二硼化锆粉末和石墨片为原料，采用热压烧结方法制成的，原料二硼化锆粉末和石墨片的纯度为95.0～99.9％，体积比为二硼化锆粉末75～95％、石墨片5～25％，硼化锆粉末平均粒径为1～5微米，石墨片径向方向平均宽度为10～20微米、轴向方向平均厚度为1～3微米，烧结温度为1850℃～2150℃，烧结压力为30～45MPa，烧结时间为45～90分钟。本发明材料临界裂纹尺寸为174.1～201.1μm，临界温差为405～525℃，显著地改善了二硼化锆陶瓷基复合材料的抗热冲击性能，能够达到航天领域高超声速环境下的使用要求。
文档编号C04B35/622GK102010205SQ20101053504
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者严佳, 史国栋, 柳敏静, 武湛君, 王智 申请人:大连理工大学