专利名称：硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法
技术领域：
本发明提供一种硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，属于多孔陶瓷的制备技术领域。
背景技术：
硼化锆陶瓷具有优越的耐高温和耐腐蚀性能及相对较低的理论密度，因此一直被认为是超高温陶瓷(UHTCs)家族中最有应用前景的材料之一。目前，硼化锆陶瓷已广泛用作各种高温结构及功能材料，如航空工业中的涡轮叶片、磁流体发电电极等。但硼化锆陶瓷断裂韧性较低，韧值仅为4 5MPa · m1/2,限制了其在苛刻作业环境下的应用，如超声速飞行器鼻锥和前沿、超燃冲压发动机热端部件等。因此，为了保证使用过程中的可靠性和安全性，必须改善硼化锆陶瓷的脆性问题，从而提高其耐热冲击性能。目前已有关于制备超高温硼化锆陶瓷的报道，如专利号为CN101602597A的“硼化锆-碳化硅-碳黑三元高韧化超高温陶瓷基复合材料及其制备方法”强度为132. 03 695. 54MPa,断裂韧性为2. 01 6. 57MPa · m1/2 ；专利号为CN101250061B的“氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料的制备方法”断裂韧性达到6. 0 6. SMPa · m"2，但断裂韧性仍有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有硼化锆超高温陶瓷韧性差的问题，而提供一种硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法。其技术方案为一种硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于采用以下步骤1)采用流延法分别制备硼化锆流延片与石墨流延片先将粘结剂和增塑剂加入溶剂中搅拌均勻，再分别加入硼化锆陶瓷粉料和石墨陶瓷粉料、搅拌均勻，形成流延料，然后流延成型，室温干燥脱模后分别得到200 1000 μ m厚的硼化锆流延片和20 100 μ m 厚的石墨流延片；2)对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；3)将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂，脱脂时，升温速度为 2 3°C /min,升温至600 700°C，保温0. 5 Ih ；4)在氩气气氛下热压烧结，烧结温度为1900 2000°C，保温0.5 2h，压力为 20 40MPa，即得层状超高温陶瓷。所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，步骤1)中，硼化锆陶瓷粉料由硼化锆粉末和碳化硅粉末按体积百分比70 90% 10 30%混合而成，硼化锆粉末的粒径为1 5 μ m，碳化硅粉末的粒径为0. 5 2 μ m。所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，步骤1)中，以硼化锆陶瓷粉料重量为基础计算，按重量百分比称取粘结剂5 15%、增塑剂5 15%和溶剂 100 200%。
所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，步骤1)中，石墨陶瓷粉料由石墨粉末和硼化锆粉末按体积百分比80 100% 0 20%混合而成。所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，以石墨陶瓷粉料重量为基础计算，按重量百分比称取粘结剂10 20%、增塑剂10 20%和溶剂500 1000%。所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，粘结剂采用聚乙烯醇缩丁醛；增塑剂采用聚乙二醇和聚乙烯醇中的一种或两种的混合；溶剂采用乙醇。本发明与现有技术相比，具有如下优点1、在本发明制得的层状超高温陶瓷中，硼化锆-碳化硅层为硬层，石墨层为软层， 这样当超高温陶瓷在受到外力、裂纹扩展至软层时，便转向平行层片方向扩展，并通过软层继续传递载荷，待载荷增大时，裂纹才又转向垂直层片方向扩展并穿过下一层，这样，裂纹在穿过硬层后就发生偏转，增加了裂纹的扩展路径，从而提高了材料的断裂韧性，断裂韧性高达 11. 3MPa · m1/2 ；2、通过控制溶剂的量可以控制硼化锆流延片和石墨流延片的厚度，通过调节硬层和软层的层厚比，可调节层状超高温陶瓷的力学性能；3、硼化锆流延片和石墨流延片的质量可控，可通过调节硼化锆、碳化硅和石墨的质量比，达到对层状超高温陶瓷组成成分的精确控制；4、本方法获得的层状超高温陶瓷层薄，硼化锆层厚可达50 μ m，石墨层可达 10 μ m ；5、由于石墨具有可导电性，有利于线切割加工，使得制备出的层状超高温陶瓷可加工性强；6、石墨粉末在热压过程中，有择优取向，片层垂直于热压方向，在受压过程中有利于裂纹偏转。7、采用热压烧结工艺，制备的层状超高温陶瓷致密性高。
图1是本发明实施例2所得层状超高温陶瓷的SEM照片；图2是本发明实施例2所得层状超高温陶瓷断裂韧性测试后的SEM照片。
具体实施例方式实施例11、制备硼化锆流延片与石墨流延片(1)硼化锆流延料的制备，先称量2. 61克聚乙烯醇缩丁醛、2. 61克聚乙二醇、52. 23克乙醇，搅拌均勻，再加入42. 63克1 μ m的硼化锆粉末和9. 60克0. 5μπι的碳化硅粉末，搅拌均勻，形成硼化锆流延料，其中硼化锆粉末和碳化硅粉末是按照70% 30%的体积百分比称取；( 石墨流延料的制备，先称量 3. 06克聚乙烯醇缩丁醛、3. 06克聚乙二醇、152. 9乙醇，搅拌均勻，再加入18. 40克石墨粉末和12. 18克硼化锆粉末，搅拌均勻，形成石墨流延料，其中石墨粉末和硼化锆粉末是按照 80% 20%的体积百分比称取；C3)流延成型，分别将硼化锆流延料和石墨流延料流延，室温干燥脱模后得到1000 μ m厚的硼化锆流延片和100 μ m厚的石墨流延片；2、对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；
3、将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂，脱脂时，升温速度为 20C /min,升温至 7000C，保温 0. 5h ；4、然后采用氩气气氛热压烧结，烧结温度为1900°C，保温池，压力为20MPa，即制得层状超高温陶瓷。实施例21、制备硼化锆流延片与石墨流延片(1)硼化锆流延料的制备，先称量5. 51克聚乙烯醇缩丁醛、5. 51克聚乙二醇、82. 68克乙醇，搅拌均勻，再加入48. 72克2 μ m的硼化锆粉末和6. 40克1 μ m的碳化硅粉末，搅拌均勻，形成硼化锆流延料，其中硼化锆粉末和碳化硅粉末是按照80% 20%的体积百分比称取；( 石墨流延料的制备，先称量4. 02 克聚乙烯醇缩丁醛、4. 02克聚乙二醇、187. 53克乙醇，搅拌均勻，再加入20. 70克石墨粉末和6. 09克硼化锆粉末，搅拌均勻，形成石墨流延料，其中石墨粉末和硼化锆粉末是按照 90% 10%的体积百分比称取；C3)流延成型，分别将硼化锆流延料和石墨流延料流延，室温干燥脱模后得到800 μ m厚的硼化锆流延片和50 μ m厚的石墨流延片；2、对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；3、将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂，脱脂时，升温速度为 2. 50C /min，升温至 650°C，保温 Ih ；4、然后采用氩气气氛热压烧结，烧结温度为1950°C，保温lh，压力为30MPa，即制得层状超高温陶瓷。实施例31、制备硼化锆流延片与石墨流延片(1)硼化锆流延料的制备，先称量8. 70克聚乙烯醇缩丁醛、8. 70克聚乙烯醇、116. 02克乙醇，搅拌均勻，再加入54. 81克5 μ m的硼化锆粉末和3. 20克2μπι的碳化硅粉末，搅拌均勻，形成硼化锆流延料，其中硼化锆粉末和碳化硅粉末是按照90% 10%的体积百分比称取；(2)石墨流延料的制备，先称量4. 6克聚乙烯醇缩丁醛、4. 6克聚乙烯醇、230克乙醇，搅拌均勻，再加入23克石墨粉末，搅拌均勻，形成石墨流延料；C3)流延成型，分别将硼化锆流延料和石墨流延料流延，室温干燥脱模后得到 200 μ m厚的硼化锆流延片和20 μ m厚的石墨流延片；2、对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；3、将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂，脱脂时，升温速度为 30C /min，升温至 600°C，保温 Ih ；4、然后采用氩气气氛热压烧结，烧结温度为2000°C，保温0.证，压力为40MPa，即制得层状超高温陶瓷。实施例41、制备硼化锆流延片与石墨流延片(1)硼化锆流延料的制备，先称量8. 70克聚乙烯醇缩丁醛、5克聚乙二醇、3. 70克聚乙烯醇、116. 02克乙醇，搅拌均勻，再加入54. 81克 5 μ m的硼化锆粉末和3. 20克2 μ m的碳化硅粉末，搅拌均勻，形成硼化锆流延料，其中硼化锆粉末和碳化硅粉末是按照90% 10%的体积百分比称取；( 石墨流延料的制备，先称量4. 6克聚乙烯醇缩丁醛、3克聚乙二醇、1克聚乙烯醇、230克乙醇，搅拌均勻，再加入23克石墨粉末，搅拌均勻，形成石墨流延料；C3)流延成型，分别将硼化锆流延料和石墨流延料流延，室温干燥脱模后得到200 μ m厚的硼化锆流延片和20 μ m厚的石墨流延片；
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2、对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；3、将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂，脱脂时，升温速度为 30C /min，升温至 600°C，保温 Ih ；4、然后采用氩气气氛热压烧结，烧结温度为2000°C，保温0. ，压力为40MPa，即制得层状超高温陶瓷。
权利要求
1.一种硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于采用以下步骤1)采用流延法分别制备硼化锆流延片与石墨流延片先将粘结剂和增塑剂加入溶剂中搅拌均勻，再分别加入硼化锆陶瓷粉料和石墨陶瓷粉料、搅拌均勻，形成流延料，然后流延成型，室温干燥脱模后分别得到200 1000 μ m厚的硼化锆流延片和20 100 μ m厚的石墨流延片；2)对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；3)将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂，脱脂时，升温速度为2 30C /min,升温至 600 700°C，保温 0. 5 Ih ；4)在氩气气氛下热压烧结，烧结温度为1900 2000°C，保温0.5 2h，压力为20 40MPa,即得层状超高温陶瓷。
2.如权利要求1所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于步骤1)中，硼化锆陶瓷粉料由硼化锆粉末和碳化硅粉末按体积百分比70 90% 10 30%混合而成，硼化锆粉末的粒径为1 5 μ m，碳化硅粉末的粒径为0. 5 2 μ m0
3.如权利要求1所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于步骤1)中，以硼化锆陶瓷粉料重量为基础计算，按重量百分比称取粘结剂5 15%、增塑剂5 15%和溶剂100 ~ 200% ο
4.如权利要求1所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于步骤1)中，石墨陶瓷粉料由石墨粉末和硼化锆粉末按体积百分比80 100% 0 20%混合而成。
5.如权利要求1所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于以石墨陶瓷粉料重量为基础计算，按重量百分比称取粘结剂10 20%、增塑剂10 20%和溶剂500 1000% ο
6.如权利要求1、3或5所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于粘结剂采用聚乙烯醇缩丁醛；增塑剂采用聚乙二醇和聚乙烯醇中的一种或两种的混合；溶剂采用乙醇。
全文摘要
本发明提供一种硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于采用以下步骤1)采用流延法分别制备硼化锆流延片与石墨流延片先将粘结剂和增塑剂加入溶剂中搅拌均匀，再分别加入硼化锆陶瓷粉料和石墨陶瓷粉料、搅拌均匀，形成流延料，然后流延成型，室温干燥脱模后分别得到200～1000μm厚的硼化锆流延片和20～100μm厚的石墨流延片；2)对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；3)将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂；4)在氩气气氛下热压烧结，制备出层状超高温陶瓷。本发明制备工艺简单、成本低，所得材料可加工性强，组成成分可控，韧性高达11.3MPa·m1/2。
文档编号C04B35/622GK102173829SQ20101062237
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者冯柳, 刘曙光, 牛金叶, 魏春城 申请人:山东理工大学