专利名称：一种三氧化二铝和二硅化钼复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于复合材料技术领域，尤其是涉及一种三氧化二铝和二硅化钥复合材料及其制备方法。
背景技术：
随着现代科学技术的发展，对高温环境下工作的结构材料提出了越来越高的要求，例如随着航空航天事业、汽车工业以及先进能源等技术的进步，特别是航空航天飞行器中发动机和汽车制造中涡轮增压器转轴、电热塞、阀门以及先进的涡轮引擎等部件上，要求金属材料具有高比强度、高比模量、优良的耐高温持久性能、能在高温氧化性氛围中长期工作，以及较好的耐腐蚀性能等，因此开发出一种性能优越的耐高温结构材料已经非常迫切。金属间化合物二硅化钥(MoSi2)具有金属和陶瓷的双重特性以及良好的综合力学性能，因此有望成为一种新型高温结构材料。MoSi2是Mo-Si 二元系合金中含硅量最高的一种金属间化合物。这种结构的MoSi2中，Mo-Mo原子结合为金属键，S1-Si原子结合为共价键，而Mo-Si原子间结合具有金属键和共价键共存的特征，所以MoSi2又可以称作金属陶瓷，其主要优点为(1)足够高的熔点(Tm, 20200C )，若按0. 8Tm估算，其工作温度在1600°C以上;(2)适中的比重(6. 24g/cm3)，低于目前航空用Ni基合金的比重(8.44 g/cm3) ； (3)极好的高温抗氧化性，抗氧化温度可达1600°C左右，是金属硅化物中最好的。在高温下(>800°C)，MoSi2表面形成一层致密的SiO2保护层，从而阻止了氧的进一步扩散。然而MoSi2在450 5501有加速氧化即“PEST”现象，但研究表明，“PEST”现象并不是MoSi2的本质特征，致密的(致密度>98%)、无裂纹、少空洞、无应力的MoSi2材料不会发生“PEST”现象。(4)具有脆性-韧性转变，其转变温度(BDTT，brittle-to-ductile transition temperature) 一般在 900 100CTC左右。这种特性不但有可能预报MoSi2在高温下的断裂失效，而且可以用传统工艺进行热加工。另一方面，MoSi2在BDTT以下具有脆性，室温断 裂韧性较低，在BDTT以上具有塑性，但高温强度低。此外，MoSi2具有较低的热胀系数以及良好的电热传导性，可进行放电加工，并且MoSi2资源丰富，既无环境污染，又可再生制备。目前国内外关于MoSi2的研究主要集中在低温增韧和高温补强方面，其工艺方法有合金化和复合化两种。MoSi2与SiC、Al203、Zr02、Si3N4、WSi2、TiC以及TiB2等有很好的化学相容性，以颗粒、晶须和纤维等第二相作为增强相制备的复合材料，其强度有很大提高，且低温脆性也有所改善。Al2O3具有更高的熔点(2054°C)，更低的密度(3. 95 g. cm_3)，良好的力学性能和化学稳定性，价格低廉，Al2O3和MoSi2在20°C 1400°C表现出优良的热膨胀系数匹配特性，在Al2O3增强MoSi2基复合材料中，不会产生热应力裂纹，因而Al2O3是一种非常有潜力的第二相增强材料。NACA的Maxwell早在1950s就开展了 Al2O3-MoSi2复合材料的研究，发现25wt. %Al203-MoSi2复合材料表现出良好的热震行为。MoSi2-Al2O3层叠复合材料展现出优美的失效现象。Zakeri等通过机械合金化方法制备了纳米晶MoSi2-Al2O3复合粉末。Dumont等采用燃烧合成技术制备了 MoSi2弥散强化Al2O3基复合材料。Mitre等通过向含有氧杂质的MoSi2中添加Al，Al通过原位取代反应形成了 Al2O3，其室温和高温强度都有所提高。但如何采用原位技术制备Al2O3增强MoSi2复合材料，并有效控制增强相的含量十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三氧化二铝和二硅化钥复合材料及其制备方法，实现
三氧化二铝原位复合化二硅化钥，并且工艺设备简单。本发明三氧化二铝和二硅化钥复合材料的化学式为MoSi2AAl2O3，其中X处于0 30mol%的范围之内，三氧化二铝和二硅化钥属于冶金结合。本发明的制备方法为a.将钥粉、硅粉、铝粉、三氧化钥粉按照14. 8 33. 3mol%Mo,51. 9 66. 7mol%S1、0 22. 2mol% A1、0 11.1mol % MoO3摩尔比例混合均勻；b.将混合粉末压制成坯体；c.将粉末坯体放入反应釜中，在氩气、氢气或氮气等保护性气氛或I IOOPa的真空中点燃混合粉末坯体，发生化学反应合成三氧化二铝和二硅化钥复合材料。与已有技术相比，本发明采用燃烧合成技术一步法原位制备了三氧化二铝复合化二硅化钥基材料。和机械合金化技术需要近百小时的球磨相比，本发明节约时间，并且可以减少球磨造成的污染 。和单纯的添加第二相制备的复合材料中增强相难以分布均匀，特别是存在界面热力学稳定性问题，容易引起微裂纹等缺陷相比，本发明三氧化二铝和二硅化钥属于冶金结合，并且分布均匀，所得材料力学性能高。此外，本发明还具有工艺和设备简便、省时、节能、成本低、污染少的优点。
图1为本发明获得的产物的X射线衍射图谱。可以看出，根据本发明能够得到三氧化二铝和二硅化钥复合材料。
具体实施例方式实施例1.将钥粉、硅粉、铝粉和三氧化钥粉，按照33. 3mol% Mo.66. 7mol% Si,Omol % AUOmol % MoO3的摩尔比例混合均匀，并压制成坯体，把坯体放入反应釜中，在氢气气氛环境中点燃粉末坯体，发生化学反应合成MoSi2/0mol%Al203材料。经真空热压烧结后其弯曲强度为295MPa。实施例2.将钥粉、硅粉、铝粉和三氧化钥粉，按照30. 5mol% Mo.64. 4mol% Si,
3.4mol% Al、1. 7mol% MoO3的摩尔比例混合均匀，并压制成坯体，把坯体放入反应釜中，在氩气气氛环境中点燃粉末坯体，发生化学反应合成MoSi2/5mol%Al203复合材料。经真空热压烧结后其弯曲强度为435MPa。实施例3.将钥粉、硅粉、铝粉和三氧化钥粉，按照27. 6mol% Mo.62.1mol % S1、
6.9mol% Al、3. 4mol% MoO3的摩尔比例混合均匀，并压制成坯体，把坯体放入反应釜中，在氮气气氛环境中点燃粉末坯体，发生化学反应合成MoSi2/10mol%Al203复合材料。经真空热压烧结后其弯曲强度为376MPa。实施例4.将钥粉、硅粉、铝粉和三氧化钥粉，按照24. 6mol% Mo,59. 6mol% S1、
10.5mol % Al、5. 3mol % MoO3的摩尔比例混合均匀，并压制成坯体，把坯体放入反应釜中，在IPa真空环境中点燃粉末坯体，发生化学反应合成MoSi2/15mol%Al203复合材料。经真空热压烧结后其弯曲强度为658MPa。实施例5.将钥粉、硅粉、铝粉和三氧化钥粉，按照21. 4mol% Mo.57. 2mol% Si,14. 3mol % Al、7.1mol % MoO3的摩尔比例混合均匀，并压制成坯体，把坯体放入反应釜中，在25Pa真空环境中点燃粉末坯体，发生化学反应合成MoSi2/20mol%Al203复合材料。实施例6.将钥粉、硅粉、铝粉和三氧化钥粉，按照18. 2mol% Mo.54. 5mol% Si,18. 2mol %A1,9.1mol % MoO3的摩尔比例混合均匀，并压制成坯体，把坯体放入反应釜中，在50Pa真空环境中点燃粉末坯体，发生化学反应合成MoSi2/25mol%Al203复合材料。实施例7.将钥粉、硅粉、铝粉和三氧化钥粉，按照14. 8mol% Mo.51. 9mol% Si,22. 2mol% Al、11.1mol % MoO3的摩尔比例混合均匀，并压制成坯体，把坯体放入反应釜中，在IOOPa真空环境中点燃粉末坯体，发生化学反应合成MoSi2/30mol%Al203复合材料。
权利要求
1.一种三氧化二铝和二硅化钥复合材料，其特征在于化学式为MoSi2AAl2O3，其中X处于0 30mol%的范围之内，三氧化二招和二娃化钥属于冶金结合。
2.—种权利要求1所述三氧化二铝和二硅化钥复合材料的制备方法，其特征在于，工艺步骤如下 a.将钥粉、硅粉、铝粉、三氧化钥粉按照14.8 33. 3mol% Mo,51. 9 66. 7mol% S1、0 22. 2mol% A1、0 11.1mol % MoO3摩尔比例混合均匀； b.将混合粉末压制成坯体； c.将粉末坯体放入反应釜中，在保护性气氛或真空中点燃混合粉末坯体，发生化学反应合成三氧化二铝和二硅化钥复合材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的保护性气氛为氩气、氢气或氮气气氛。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的真空度为I lOOPa。
全文摘要
一种三氧化二铝和二硅化钼复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。三氧化二铝和二硅化钼复合材料为MoSi2/XAl2O3，其中X处于0～30mol%的范围之内。将钼粉、硅粉、铝粉、三氧化钼粉按照14.8～33.3mol％Mo、51.9～66.7mol％Si、0～22.2mol％Al、0～11.1mol％MoO3摩尔比例混合均匀，然后压制成坯体，再将坯体放入反应釜中，在保护性气氛或真空中点燃，发生化学反应合成三氧化二铝和二硅化钼复合材料。通过三氧化二铝复合化提高了二硅化钼材料的力学性能。与已有技术相比，本发明通过一步法合成三氧化二铝原位改性二硅化钼基复合材料，有利于消除增强相分布不均匀现象，并减少界面产物，本发明还具有工艺和设备简单、省时、节能、成本低的优点。
文档编号C04B35/622GK103058661SQ20131003370
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者冯培忠, 王建栋, 郭瑞霞, 宋彬彬, 牛继南, 强颖怀 申请人:中国矿业大学