一种ZrB₂－SiC超高温陶瓷的烧结方法

专利名称：一种ZrB₂－SiC超高温陶瓷的烧结方法
技术领域：
本发明涉及一种超高温陶瓷的烧结方法。
背景技术：
超高温陶瓷材料体系中，ZrB2因具有相对较低的密度(6. 09g · cm_3)、较高的熔点(3245°C )较高的硬度(莫氏硬度为9，显微硬度为22. IGPa)、良好的导热性(热导率为 23 25W · πΓ1 · Γ1)以及良好的导电性(常温电导率为 IX 108S · πΓ1)等特点而在高温结构陶瓷材料、陶瓷基复合材料等领域中得到广泛地应用和关注。近年来随着航空航天工业的发展，ZrB2基超高温陶瓷材料的研究受到各发达国家的高度重视，成为发展极为迅速的材料之一，尤其是在抗氧化性能方面取得了显著的成就，本世纪初成功研制出可服役于 18000C以上含氧气氛中ZrB2-SiC超高温陶瓷材料。超高温陶瓷需要具有很高的致密度，一般致密度大于95%的超高温陶瓷才能实现其在热防护方面的作用，所以为了获得较高的致密度，现有的热压烧结温度都在1800°C以上。应用传统制备工艺烧结制备超高温陶瓷材料，由于烧结温度高，能量消耗巨大，限制了超高温陶瓷材料的应用。

发明内容
本发明是要解决现有制备ZrB2-SiC超高温陶瓷的工艺存在烧结温度高，能耗大的问题，而提供一种ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法。本发明一种ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法按以下步骤进行一、称取ZrB2粉、 SiC粉和柠檬酸，ZrB2粉和SiC粉的体积比为(3 5) I，柠檬酸的质量为ZrB2粉和SiC 粉总质量的1% 3% ,ZrB2粉和SiC粉的平均粒径为50 70nm ;二、向球磨罐中加入无水乙醇作为溶剂介质，然后依次加入步骤一中称取的柠檬酸、ZrB2粉和SiC粉，球磨分散得到浆料；三、将步骤二得到的浆料烘干得到复合粉体；四、将复合粉体置于石墨模具中，在真空条件下烧结，烧结温度为1500 1600°C，烧结压力为25 35MPa，烧结时间为I I. 5h， 然后冷却至室温，得到ZrB2-SiC超高温陶瓷。本发明的原材料采用粒径较小的纳米粉体，以柠檬酸为分散剂，在乙醇体系中进行分散处理，打开粉体之间的团聚，配合球磨工艺使纳米粉体均匀的混合。由于乙醇的表面张力小，所以在干燥过程中不易发生二次团聚，使混合均匀的粉体保持纳米形态。小粒径的粉体比表面积大，在烧结过程中的致密化过程更加容易进行，所以可以在低于常规烧结温度的条件下，实现烧结致密化，获得高致密度的超高温陶瓷材料。本发明的有益效果是本发明ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法与传统的烧结方法相比，将烧结温度降低了约300°C，降低了能耗，本发明方法制得的ZrB2-SiC超高温陶瓷，其致密度可达到98%,满足其在1800°C含氧气氛中的使用要求。本发明用于制备ZrB2-SiC超高温陶瓷。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式
，还包括各具体实施方式
之间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式一种ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法按以下步骤进行一、称取ZrB2粉、SiC粉和柠檬酸，ZrB2粉和SiC粉的体积比为(3 5) 1，柠檬酸的质量为ZrB2粉和SiC粉总质量的I % 3%，ZrB2粉和SiC粉的平均粒径为50 70nm ;二、 向球磨罐中加入无水乙醇作为溶剂介质，然后依次加入步骤一中称取的柠檬酸、ZrB2粉和 SiC粉，球磨分散得到浆料；三、将步骤二得到的浆料烘干得到复合粉体；四、将复合粉体置于石墨模具中，在真空条件下烧结，烧结温度为1500 1600°C，烧结压力为25 35MPa，烧结时间为I I. 5h，然后冷却至室温，得到ZrB2-SiC超高温陶瓷。本实施方式的原材料采用粒径较小的纳米粉体，以柠檬酸为分散剂，在乙醇体系中进行分散处理，打开粉体之间的团聚，配合球磨工艺使纳米粉体均匀的混合。由于乙醇的表面张力小，所以在干燥过程中不易发生二次团聚，使混合均匀的粉体保持纳米形态。小粒径的粉体比表面积大，在烧结过程中的致密化过程更加容易进行，所以可以在低于常规烧结温度的条件下，实现烧结致密化，获得高致密度的超高温陶瓷材料。本实施方式的有益效果是本实施方式ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法与传统的烧结方法相比，将烧结温度降低了约300°C，降低了能耗，本发明方法制得的ZrB2-SiC超高温陶瓷，其致密度可达到98%，满足其在1800°C含氧气氛中的使用要求。
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ZrB2粉和 SiC粉的平均粒径为55 65nm。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
一或二不同的是步骤一中ZrB2粉和SiC粉的体积比为(3. 5 4) 1，柠檬酸的质量为ZrB2粉和SiC粉总质量的I. 5% 2.5%。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一或三之一不同的是步骤二中在转速为300 400r/min的条件下，球磨分散10 12h得到浆料。其它与具体实施方式
一或三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一或四之一不同的是步骤二中无水乙醇的体积为球磨罐体积的80% 95%，ZrB2粉和SiC粉的总体积为球磨罐体积的 20% 25%。其它与具体实施方式
一或四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一或五之一不同的是步骤三中米用旋转蒸发仪，在70 80°C的条件下，将步骤二得到的浆料烘干得到复合粉体。其它与具体实施方式
一或五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一或六之一不同的是步骤四中烧结温度为1520 1580°C，烧结压力为28 32MPa，烧结时间为I. I I. 4h。其它与具体实施方式
一或六之一相同。采用以下实施例验证本发明的有益效果实施例一本实施例一种ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法按以下步骤进行一、称取ZrB2粉、 SiC粉和柠檬酸，ZrB2粉和SiC粉的体积比为3 1，柠檬酸的质量为ZrB2粉和SiC粉总质量的1%，ZrB2粉和SiC粉的平均粒径为50nm ;二、向球磨罐中加入无水乙醇作为溶剂介质，然后依次加入步骤一中称取的柠檬酸、ZrB2粉和SiC粉，在转速为300r/min的条件下， 球磨分散12h得到浆料；三、采用旋转蒸发仪，在70°C的条件下，将步骤二得到的浆料烘干得到复合粉体；四、将复合粉体置于石墨模具中，在真空度为KT1Pa,温度为1500°C，压力为 30MPa的条件下，烧结Ih后冷却至室温，得到ZrB2-SiC超高温陶瓷。本实施方式步骤二中无水乙醇的体积为球磨罐体积的90%，ZrB2粉和SiC粉的总体积为球磨罐体积的20%，球与ZrB2粉和SiC粉总质量的比为3 I，球的材质为SiC，无水乙醇、ZrB2粉和SiC粉均是从市场上购买得到。本实施例ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法与传统的烧结方法相比，将烧结温度降低了约300°C，降低了能耗，本实施例制得的ZrB2-SiC超高温陶瓷，其致密度为98%，满足其在1800°C以上含氧气氛中的使用要求。致密度(相对密度)测定方法一、采用阿基米德法测量本实施例所制得的ZrB2-SiC超高温陶瓷的实际密度， 使用光电分析天平(精度O. OOOlg)精确测量ZrB2-SiC超高温陶瓷在空气中的质量m和 ZrB2-SiC超高温陶瓷在蒸馏水中的质量m7p根据公式1，计算出ZrB2-SiC超高温陶瓷的实际密度P。测量前将试样表面清洗吹干，至少测量三个样，取平均值。
权利要求
1.一种ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法，其特征在于ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法按以下步骤进行一、称取ZrB2粉、SiC粉和柠檬酸，ZrB2粉和SiC粉的体积比为(3 5) 1，柠檬酸的质量为ZrB2粉和SiC粉总质量的I % 3%，ZrB2粉和SiC粉的平均粒径为50 70nm ;二、向球磨罐中加入无水乙醇作为溶剂介质,然后依次加入步骤一中称取的柠檬酸、ZrB2粉和SiC粉，球磨分散得到浆料；三、将步骤二得到的浆料烘干得到复合粉体； 四、将复合粉体置于石墨模具中，在真空条件下烧结，烧结温度为1500 1600°C，烧结压力为25 35MPa，烧结时间为I I. 5h，然后冷却至室温，得到ZrB2-SiC超高温陶瓷。
2.根据权利要求I所述的一种ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法，其特征在于步骤一中 ZrB2粉和SiC粉的平均粒径为55 65nm。
3.根据权利要求I或2所述的一种ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法，其特征在于步骤一中ZrB2粉和SiC粉的体积比为(3. 5 4) : 1，柠檬酸的质量为ZrB2粉和SiC粉总质量的 I. 5% 2. 5%。
4.根据权利要求I所述的一种ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法，其特征在于步骤二中在转速为300 400r/min的条件下，球磨分散10 12h得到浆料。
5.根据权利要求I或4所述的一种ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法，其特征在于步骤二中无水乙醇的体积为球磨罐体积的80% 95%，ZrB2粉和SiC粉的总体积为球磨罐体积的 20% 25%。
6.根据权利要求I所述的一种ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法，其特征在于步骤三中采用旋转蒸发仪，在70 80°C的条件下，将步骤二得到的浆料烘干得到复合粉体。
7.根据权利要求1、4或6所述的一种ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法，其特征在于步骤四中烧结温度为1520 1580°C，烧结压力为28 32MPa，烧结时间为11 I. 4h。
全文摘要
一种ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法，它涉及一种超高温陶瓷的烧结方法。本发明要解决现有制备ZrB2-SiC超高温陶瓷的工艺存在烧结温度高，能耗大的问题。ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法按以下步骤进行一、称取ZrB2粉、SiC粉和柠檬酸；二、球磨混合，得到浆料；三、将浆料烘干得到复合粉体；四、在温度为1500～1600℃条件下真空烧结得到ZrB2-SiC超高温陶瓷。本发明ZrB2-SiC超高温陶瓷的烧结方法，将烧结温度降低了约300℃，减少了能耗，所得产物的致密度可达98％，满足在1800℃含氧气氛中的使用要求。本发明用于制备ZrB2-SiC超高温陶瓷。
文档编号C04B35/622GK102584240SQ20121001366
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者何汝杰, 侯杨, 张幸红, 胡平, 金鑫鑫 申请人:哈尔滨工业大学