专利名称：一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷基复合材料及其制备方法。
背景技术：
超高温陶瓷材料作为材料中的重要一类，是一种非常有前途的高温结构材料，其 能够在高温环境下(例如大于M00°c )以及反应气氛中(例如原子氧环境、等离子体)保 持物理和化学稳定性。这类材料主要包括过渡金属硼化物、碳化物以及氮化物，其熔点均超 过3000°C。其中，二硼化锆(ZrB2)因其具有较低的理论密度(6. 09g/cm3)而被认为是极有 潜力的航空材料之一。二硼化锆具有陶瓷和金属的双重特性，如高的熔点3245°C、高硬度 (莫氏硬度为9;显微硬度为22. IGPa)、优良的导电(电导率常温下为lOk/m)和导热(热 导率为24. 3ff/(m ·Κ))等性能，以及优异的化学稳定性，在高超声速长时飞行、大气层再入、 跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境中有着广泛的应用前景。但基陶瓷材料有 一个共同的特点就是低的断裂韧性(一般在2. 3 5. OMPa ·πι"2)，致使材料抗弯强度差，同 时也降低了抗热震性，限制了其使用，而且由于二硼化物基陶瓷材料晶粒间以强共价键连 接，烧结时原子扩散缓慢，导致材料极难烧结。提高材料的可烧结性以及改善陶瓷的本征脆 性是目前的研究热点及难点。目前，研究最多的是在二硼化锆基体中加入弥散的SiC颗粒。 SiC加入可以显著提高材料的抗氧化性能，并抑制基体颗粒长大从而有效提高材料的抗弯 强度。但是，由于不具备明显的长径比特征，颗粒的引入对材料韧性的提高并不明显。
发明内容
本发明目的是为了解决现有方法制备的陶瓷基复合材料存在断裂韧性低和 难烧结的问题，而提供一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料及其 制备方法。高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料按体积比由55% 75%的二硼化锆粉末、20%的碳化硅粉末和5% 25%的二氧化锆纤维制成；其中二硼化 锆粉末的体积纯度大于98%，粒径为2 μ m ；碳化硅粉末的体积纯度大于98%，粒径为1 μ m ； 二氧化锆纤维的体积纯度大于98%，直径为5 10 μ m，长度为100 500 μ m。高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料的制备方法按以下步骤 进行一、按体积比称取 75%的二硼化锆粉末、20%的碳化硅粉末和5% 25%的 二氧化锆纤维，球磨湿混后得浆料；二、浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干，然后研磨，得混合粉 料；三、将混合粉料置于温度为1800 1950°C、压力为20 30MPa的真空条件下保温烧结 50 70min，随炉冷却后取出，即得高强高韧性的二硼化锆_碳化硅_氧化锆陶瓷基复合材 料；其中步骤一中二硼化锆粉末的体积纯度大于98%，粒径为2μπι ；碳化硅粉末的体积纯 度大于98%，粒径为1 μ m ；二氧化锆纤维的体积纯度大于98%，直径为5 10 μ m，长度为 100 500 μ m。
本发明在陶瓷基体中引入&02纤维同时达到纤维增韧和相变增韧的效果，是利用 了 &02从四方相(t-&02)到单斜相(m-&02)的马氏体相变效应来改善传统陶瓷的韧性本发明将&02纤维引入到二硼化锆_碳化硅超高温陶瓷材料体系中，以改善超 高温陶瓷材料的脆性及抗热震性能，提高材料使用的可靠性，原理为&02纤维的加入，材 料在断裂过程中，裂纹的扩展在遇到纤维时会发生偏转、分叉，以及&02纤维的拔出、 断裂、相变等，这些均会消耗大量的能量，从而使得材料的断裂韧性大幅提高。本发明制 备的陶瓷复合材料，易烧结，其断裂韧性为5. 69 6. 82MPa · m1/2,抗弯强度为700. 86 723. 15MPa,高于国内外报道的同体系碳化硅颗粒增强硼化物基超高温陶瓷材料。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式高强高韧性的二硼化锆_碳化硅_氧化锆陶瓷基复 合材料按体积比由55 % 75 %的二硼化锆粉末、20 %的碳化硅粉末和5 % 25 %的二氧化 锆纤维制成；其中二硼化锆粉末的体积纯度大于98%，粒径为2μπι;碳化硅粉末的体积纯 度大于98%，粒径为1 μ m ；二氧化锆纤维的体积纯度大于98%，直径为5 10 μ m，长度为 100 500 μ m。本实施方式中二硼化锆粉末、碳化硅粉末和二氧化锆纤维均为现有市售的材料。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是高强高韧性的二硼化 锆_碳化硅_氧化锆陶瓷基复合材料按体积比由55%的二硼化锆粉末、20%的碳化硅粉末 和25%的二氧化锆纤维制成。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
一不同的是高强高韧性的二硼化 锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料按体积比由75%的二硼化锆粉末、20%的碳化硅粉末 和5%的二氧化锆纤维制成。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
一不同的是高强高韧性的二硼化 锆_碳化硅_氧化锆陶瓷基复合材料按体积比由60 % 70 %的二硼化锆粉末、20 %的碳化 硅粉末和10% 20%的二氧化锆纤维制成。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
一不同的是高强高韧性的二硼化 锆_碳化硅_氧化锆陶瓷基复合材料按体积比由65%的二硼化锆粉末、20%的碳化硅粉末 和15%的二氧化锆纤维制成。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式高强高韧性的二硼化锆_碳化硅_氧化锆陶瓷基复 合材料的制备方法按以下步骤进行一、按体积比称取55% 75%的二硼化锆粉末、20% 的碳化硅粉末和5% 25%的二氧化锆纤维，球磨湿混后得浆料；二、浆料在旋转蒸发器上 蒸发烘干，然后研磨，得混合粉料；三、将混合粉料置于温度为1800 1950°C、压力为20 30MPa的真空条件下保温烧结50 70min，随炉冷却后取出，即得高强高韧性的二硼化 锆_碳化硅_氧化锆陶瓷基复合材料；其中步骤一中二硼化锆粉末的体积纯度大于98%， 粒径为2 μ m ；碳化硅粉末的体积纯度大于98 %，粒径为1 μ m ；二氧化锆纤维的体积纯度大 于98%，直径为5 10 μ m，长度为100 500 μ m。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
六不同的是步骤一中按体积比称取 60%的二硼化锆粉末、20%的碳化硅粉末和20%的二氧化锆纤维。其它步骤及参数与具体 实施方式六相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
六或七不同的是步骤一中球磨湿混 采用行星式球磨机，分散剂为无水乙醇，球磨机转速为200 400r/min，磨球氧化锆磨球， 球料比为4 1。其它步骤及参数与具体实施方式
六或七相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
六至八之一不同的是步骤二中蒸发 烘干的温度为65°C。其它步骤及参数与具体实施方式
六至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
六至九之一不同的是步骤二中研磨 采用玛瑙研钵反复研磨。其它步骤及参数与具体实施方式
六至九之一相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
六至十之一不同的是步骤三中将 混合粉料置于温度为1800°C、压力为30MPa的真空条件下保温烧结50min。其它步骤及参 数与具体实施方式
六至十之一相同。
具体实施方式
十二 本实施方式与具体实施方式
六至十之一不同的是步骤三中将 混合粉料置于温度为1950°C、压力为20MPa的真空条件下保温烧结50min。其它步骤及参 数与具体实施方式
六至十之一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
六至十之一不同的是步骤三中 将混合粉料置于温度为1880 1930°C、压力为22 ^MPa的真空条件下保温烧结55 65min。其它步骤及参数与具体实施方式
六至十之一相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
六至十之一不同的是步骤三中将 混合粉料置于温度为1900°C、压力为25MPa的真空条件下保温烧结60min。其它步骤及参 数与具体实施方式
六至十之一相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
六至十四之一不同的是步骤三中 真空条件的真空度为5Pa。其它步骤及参数与具体实施方式
六至十四之一相同。
具体实施方式
十六本实施方式高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基 复合材料的制备方法按以下步骤进行一、按体积比称取70%的二硼化锆粉末、20%的碳 化硅粉末和10%的二氧化锆纤维，球磨湿混后得浆料；二、浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干， 然后研磨，得混合粉料；三、将混合粉料置于温度为1900°C、压力为25MPa的真空条件下保 温烧结65min，随炉冷却后取出，即得高强高韧性的二硼化锆_碳化硅_氧化锆陶瓷基复合 材料；其中步骤一中二硼化锆粉末的体积纯度大于98%，粒径为2μπι;碳化硅粉末的体积 纯度大于98%，粒径为1 μ m ；二氧化锆纤维的体积纯度大于98%，直径为5 10 μ m，长度 为 100 500 μ m。本实施方式中所得高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料切割 成36mmX4mmX3mm的试样，并对试样表面进行抛光处理后，进行微观结构分析和力学性能 测试；微观结构分析采用扫描电子显微镜观察试样的微观结构，在试样表面和断面均有 二氧化锆纤维存在，且纤维均勻分布；力学性能测试结果断裂韧性为5. 69MPa · m"2，抗弯 强度为700. 86MPa,比现有的二硼化锆-碳化硅复合材料的断裂韧性5. 43MPa ·π^2，抗弯强 度618. 15MPa均高，可见本实施方式中所得高强高韧性的二硼化锆_碳化硅_氧化锆陶瓷 基复合材料的断裂韧性高，抗弯强度高，材料的抗热震性能良好。
具体实施方式
十七本实施方式高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基 复合材料的制备方法按以下步骤进行一、按体积比称取65%的二硼化锆粉末、20%的碳 化硅粉末和15%的二氧化锆纤维，球磨湿混后得浆料；二、浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干，然后研磨，得混合粉料；三、将混合粉料置于温度为1850°C、压力为30MPa的真空条件下保 温烧结60min，随炉冷却后取出，即得高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合 材料；其中步骤一中二硼化锆粉末的体积纯度大于98%，粒径为2μπι ；碳化硅粉末的体积 纯度大于98 %，粒径为1 μ m ；二氧化锆纤维的体积纯度大于98 %，直径为5 10 μ m，长度 为 100 500 μ m。 本实施方式中所得高强高韧性的二硼化锆_碳化硅_氧化锆陶瓷基复合材料切割 成36mmX4mmX3mm的试样，并对试样表面进行抛光处理后，进行微观结构分析和力学性能 测试；微观结构分析采用扫描电子显微镜观察试样的微观结构，在试样表面和断面内均 有二氧化锆纤维存在，且纤维均勻分布；力学性能测试结果断裂韧性为6. 82MPa · m1/2，抗 弯强度为723. 15MPa,比现有的二硼化锆-碳化硅复合材料的断裂韧性5. 43MPa ·πι"2，抗弯 强度618. 15MPa均高，可见本实施方式中所得高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶 瓷基复合材料的断裂韧性高，抗弯强度高，材料的抗热震性能良好。
权利要求
1.一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料，其特征在于高强高 韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料按体积比由55% 75%的二硼化锆粉 末、20%的碳化硅粉末和5% 25%的二氧化锆纤维制成；其中二硼化锆粉末的体积纯度 大于98%，粒径为2 μ m ；碳化硅粉末的体积纯度大于98%，粒径为1 μ m ；二氧化锆纤维的 体积纯度大于98 %，直径为5 10 μ m，长度为100 500 μ m。
2.根据权利要求1所述的一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合 材料，其特征在于高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料按体积比由 60% 70%的二硼化锆粉末、20%的碳化硅粉末和10% 20%的二氧化锆纤维制成。
3.根据权利要求1所述的一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材 料，其特征在于高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料按体积比由65% 的二硼化锆粉末、20%的碳化硅粉末和15%的二氧化锆纤维制成。
4.制备如权利要求1所述一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合 材料的方法，其特征在于高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料的制备 方法按以下步骤进行一、按体积比称取 75%的二硼化锆粉末、20%的碳化硅粉末 和5% 25%的二氧化锆纤维，球磨湿混后得浆料；二、浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干，然 后研磨，得混合粉料；三、将混合粉料置于温度为1800 1950°C、压力为20 30MPa的真 空条件下保温烧结50 70min，随炉冷却后取出，即得高强高韧性的二硼化锆_碳化硅_氧 化锆陶瓷基复合材料；其中步骤一中二硼化锆粉末的体积纯度大于98%，粒径为2μπι;碳 化硅粉末的体积纯度大于98%，粒径为1 μ m ；二氧化锆纤维的体积纯度大于98%，直径为 5 10 μ m，长度为100 500 μ m。
5.根据权利要求4所述的一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材 料的制备方法，其特征在于步骤一中按体积比称取60%的二硼化锆粉末、20%的碳化硅粉 末和20%的二氧化锆纤维。
6.根据权利要求4或5所述的一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复 合材料的制备方法，其特征在于步骤一中球磨湿混采用行星式球磨机，分散剂为无水乙醇， 球磨机转速为200 400r/min，磨球氧化锆磨球，球料比为4:1。
7.根据权利要求6所述的一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材 料的制备方法，其特征在于步骤二中蒸发烘干的温度为65°C。
8.根据权利要求7所述的一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材 料的制备方法，其特征在于步骤二中研磨采用玛瑙研钵反复研磨。
9.根据权利要求8所述的一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合 材料的制备方法，其特征在于步骤三中将混合粉料置于温度为1880 1930°C、压力为22 28MPa的真空条件下保温烧结55 65min。
10.根据权利要求8所述的一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合 材料的制备方法，其特征在于骤三中将混合粉料置于温度为1900°C、压力为25MPa的真空 条件下保温烧结60min。
全文摘要
一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料及其制备方法，它涉及一种陶瓷基复合材料及其制备方法。它解决了现有方法制备的ZrB2陶瓷基复合材料存在断裂韧性低和难烧结的问题。材料由二硼化锆粉末、碳化硅粉末和二氧化锆纤维制成。方法一、称取原料湿混后得浆料；二、浆料烘干后研磨得混合粉料；三、混合粉料烧结后冷却取出即得。本发明将ZrO2纤维引入到二硼化锆-碳化硅超高温陶瓷材料体系中，以改善超高温陶瓷材料的脆性及抗热震性能，提高材料使用的可靠性。本发明制备的陶瓷复合材料，易烧结，其断裂韧性为5.69～6.82MPa·m1/2，抗弯强度为700.86～723.15MPa。
文档编号C04B35/622GK102060554SQ20101056535
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者孙新, 张幸红, 林佳, 梁军, 胡平, 韩文波 申请人:哈尔滨工业大学