一种高热导率ZrB₂超高温陶瓷及其制备方法

专利名称：一种高热导率ZrB₂超高温陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高热导率ZrB2超高温陶瓷及其制备方法，具体为利用热压烧结法制备高热导纤维增韧ZrB2超高温陶瓷的方法以及复合材料热导率的提高方法，属于高温陶瓷技术领域。
背景技术：
超高温陶瓷材料是指在高温环境及反应气氛中能够保持物理和化学稳定性的一种特殊陶瓷材料。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，过渡金属硼化物凭借其高的熔点、热物理性能、弹性模量以及优异的化学稳定性，已成为最有优势的高温结构陶瓷材料，在高超声速飞行、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。然而超高温陶瓷材料的抗热冲击性能一直没有得到很好的解决，是限制其优异性能发挥的关键因素之一。材料的抗热冲击性能有多重影响因素，诸如物理性能、组织结构、制备工艺以及形状尺寸等。较高的热导率能够快速将材料内部热量导出，降低内部的热应力，有利于提高材料的抗热冲击性能。因此提高ZrB2陶瓷材料的室温及高温热导率有利于改善材料的抗热冲击性能。

发明内容
本发明的目的是为了提出一种高热导率ZrB2超高温陶瓷及其制备方法，该超高温陶瓷具有高的热导率且抗热冲击性能好，该方法工艺过程简单、耗时短。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。本发明的一种高热导率ZrB2超高温陶瓷，该超高温陶瓷包括硼化锆粉末和中间相浙青基炭纤维；其中硼化错粉末`平均粒径为I 2微米,其纯度> 99% ;中间相浙青基炭纤维直径为7 10微米，其轴向导热系数彡500ff/(m.K);以超高温陶瓷的总体积为100份计算，硼化锆粉末的体积份数为70-90份，中间相浙青基炭纤维的体积份数为10-30份。本发明的一种高热导率ZrB2超高温陶瓷的制备方法，该方法将中间相浙青基炭纤维引入到硼化物超高温陶瓷材料体系中，在烧结过程中，纤维垂直热压方向定向排布，中间相浙青基炭纤维较高的导热系数使得所制备ZrB2材料的热导率大大提升，同时也提高了材料的高温可靠性；该方法的具体步骤为:I)将中间相浙青基炭纤维剪成长0.5-2mm的短切纤维，放入无水乙醇中分散，分散时采用超声波进行分散，得到混合物；中间相浙青基炭纤维与无水乙醇的质量比为1:80-120 ；2)将硼化锆粉末和步骤I)得到的混合物在行星式球磨机中进行混合，球磨时间为10-30h，为防止硼化锆粉末和中间相浙青基炭纤维在球磨过程中分层，球磨机混料时转速> 200rpm ;混好后将得到的浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干，得到混合粉料；3)研磨:将步骤3)得到的混合粉料用玛瑙研钵反复研磨并过筛；4)烧结:将步骤3)研磨后的混合粉料于真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为1800 2000°C，烧结压力为20 60MPa，烧结时间为30 120min，自然冷却至室温，得到致密的ZrB2超高温陶瓷材料。将上述方法制备的ZrB2超高温陶瓷材料进行热导率、常温力学性能测试，并对其表面和断口形貌进行显微观察。有益效果本发明制备的ZrB2超高温陶瓷具有高熔点、高强度、低模量、良好的抗烧蚀性能以及抗化学腐蚀等优异性能，采用本发明制备的ZrB2基超高温陶瓷，其室温热导率达100W/(m K)，高于国内外报道的纯ZrB2超高温陶瓷材料(约60W/(m K))，基本满足一些防热结构件的实际应用；在高超声速飞行、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。
具体实施例方式下面通过具体实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅只局限于下面的实施例:实施例1一种高热导率ZrB2超高温陶瓷，该超高温陶瓷包括硼化锆粉末和中间相浙青基炭纤维；其中硼化锆粉末平均粒径为2微米，其纯度为99.2% ;中间相浙青基炭纤维平均直径为10微米，其轴向导热系数为523W/(m !();以超高温陶瓷的总体积为100份计算，硼化锆粉末的体积份数为70份，中间相浙青基炭纤维的体积份数为30份。一种高热导率ZrB2超高温陶瓷的制备方法，该方法的具体步骤为:
I)将IOg中间相浙青基炭纤维剪成长Imm的短切纤维，放入IOOOg无水乙醇中分散，分散时采用超声波进行分散，得到混合物；2)将70g硼化锆粉末和步骤I)得到的混合物在行星式球磨机中进行混合，球磨时间为30h，为防止硼化锆粉末和中间相浙青基炭纤维在球磨过程中分层，球磨机混料时转速为250rpm ;混好后将得到的浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干，得到混合粉料；3)研磨:将步骤3)得到的混合粉料用玛瑙研钵反复研磨并过筛；4)烧结:将步骤3)研磨后的混合粉料于真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为1900°C，烧结压力为30MPa，烧结时间为60min，自然冷却至室温，得到致密的ZrB2超高温陶瓷材料。将上述方法制备的ZrB2超高温陶瓷材料用扫描电镜进行显微组织观察，可以看出中间相浙青基炭纤维很好的保持原始的长径比特征，且沿垂直热压方向均匀的定向分布在基体中；对上述方法制备的ZrB2超高温陶瓷材料用排水法进行密度测试，可知材料致密性良好，相对密度为97.14% ；对上述方法制备的ZrB2超高温陶瓷材料用激光脉冲法进行热导率测试，可知材料垂直热压方向的室温热导率为90.31ff/(m K)，高温(1500°C)热导率为67.91ff/(m K)。实施例2一种高热导率ZrB2超高温陶瓷，该超高温陶瓷包括硼化锆粉末和中间相浙青基炭纤维；其中硼化锆粉末平均粒径为2微米，其纯度为99.2% ;中间相浙青基炭纤维平均直径为10微米，其轴向导热系数为523W/(m.Κ);以超高温陶瓷的总体积为100份计算，硼化锆粉末的体积份数为80份，中间相浙青基炭纤维的体积份数为20份。—种高热导率ZrB2超高温陶瓷的制备方法，该方法的具体步骤为:I)将IOg中间相浙青基炭纤维剪成长Imm的短切纤维，放入IOOOg无水乙醇中分散，分散时采用超声波进行分散，得到混合物；2)将120g硼化锆粉末和步骤I)得到的混合物在行星式球磨机中进行混合，球磨时间为30h，为防止硼化锆粉末和中间相浙青基炭纤维在球磨过程中分层，球磨机混料时转速为250rpm ;混好后将得到的浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干，得到混合粉料；3)研磨:将步骤3)得到的混合粉料用玛瑙研钵反复研磨并过筛；4)烧结:将步骤3)研磨后的混合粉料于真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为1900°C，烧结压力为30MPa，烧结时间为60min，自然冷却至室温，得到致密的ZrB2超高温陶瓷材料。将上述方法制备的ZrB2超高温陶瓷材料用扫描电镜进行显微组织观察，可以看出中间相浙青基炭纤维很好的保持原始的长径比特征，且沿垂直热压方向均匀的定向分布在基体中；对上述方法制备的ZrB2超高温陶瓷材料用排水法进行密度测试，可知材料致密性良好，相对密度为98.15% ；对上述方法制备的ZrB2超高温陶瓷材料用激光脉冲法进行热导率测试，可知材料垂直热压方向的室温热导率为98.02ff/(m.K)，高温(1500°C)热导率为74.81ff/(m.K)。实施例3一种高热导率ZrB2超高温陶瓷，该超高温陶瓷包括硼化锆粉末和中间相浙青基炭纤维；其中硼化锆粉末平均粒径为2微米，其纯度为99.2% ;中间相浙青基炭纤维平均直径为10微米，其轴向导热系数为523W/ (m.K)；以超高温陶瓷的总体积为100份计算，硼化锆粉末的体积份数为90份，中间相浙青基炭纤维的体积份数为10份。一种高热导率ZrB2超高温陶瓷的制备方法，该方法的具体步骤为:I)将IOg中间相浙青基炭纤维剪成长Imm的短切纤维，放入IOOOg无水乙醇中分散，分散时采用超声波进行分散，得到混合物；2)将270g硼化锆粉末和步骤I)得到的混合物在行星式球磨机中进行混合，球磨时间为30h，为防止硼化锆粉末和中间相浙青基炭纤维在球磨过程中分层，球磨机混料时转速为250rpm ;混好后将得到的浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干，得到混合粉料；3)研磨:将步骤3)得到的混合粉料用玛瑙研钵反复研磨并过筛；4)烧结:将步骤3)研磨后的混合粉料于真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为1900°C，烧结压力为30MPa，烧结时间为60min，自然冷却至室温，得到致密的ZrB2超高温陶瓷材料。将上述方法制备的ZrB2超高温陶瓷材料用扫描电镜进行显微组织观察，可以看出中间相浙青基炭纤维很好的保持原始的长径比特征，且沿垂直热压方向均匀的定向分布在基体中；对上述方法制备的ZrB2超高温陶瓷材料用排水法进行密度测试，可知材料致密性良好，相对密度为 95.23% ；
对上述方法制备的ZrB2超高温陶瓷材料用激光脉冲法进行热导率测试，可知材料垂直热压方向的室温热 导率为107.9ff/(m K)，高温(1500°C)热导率为87.81ff/(m K)。
权利要求
1.一种高热导率ZrB2超高温陶瓷，其特征在于该超高温陶瓷包括硼化锆粉末和中间相浙青基炭纤维；以超高温陶瓷的总体积为100份计算，硼化锆粉末的体积份数为70-90份，中间相浙青基炭纤维的体积份数为10-30份。
2.根据权利要求I所述的一种高热导率ZrB2超高温陶瓷，其特征在于硼化锆粉末平均粒径为I 2微米，其纯度≥99%。
3.根据权利要求I或2所述的一种高热导率ZrB2超高温陶瓷，其特征在于中间相浙青基炭纤维直径为7 10微米，其轴向导热系数≥500ff/(m K)。
4.一种高热导率ZrB2超高温陶瓷的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为 1)将中间相浙青基炭纤维剪成长0.5-2mm的短切纤维，分散在无水乙醇中，得到混合物； 2)将硼化锆粉末和步骤I)得到的混合物在行星式球磨机中进行混合，球磨时间为10-30h，球磨机混料时转速≥ 200rpm ;混好后将得到的浆料在旋转蒸发器上蒸发烘干，得到混合粉料； 3)研磨将步骤3)得到的混合粉料用玛瑙研钵研磨并过筛； 4)烧结将步骤3)研磨后的混合粉料于真空或惰性气氛中热压烧结，烧结温度为1800 2000°C，烧结压力为20 60MPa，烧结时间为30 120min，自然冷却至室温，得到致密的ZrB2超高温陶瓷材料。
5.根据权利要求4所述的一种高热导率ZrB2超高温陶瓷的制备方法，其特征在于步骤I)中中间相浙青基炭纤维分散时采用超声波进行分散。
6.根据权利要求4所述的一种高热导率ZrB2超高温陶瓷的制备方法，其特征在于步骤I)中中间相浙青基炭纤维与无水乙醇的质量比为1:80-120。
全文摘要
本发明涉及一种高热导率ZrB2超高温陶瓷及其制备方法，具体为利用热压烧结法制备高热导纤维增韧ZrB2超高温陶瓷的方法以及复合材料热导率的提高方法，属于高温陶瓷技术领域。该超高温陶瓷包括硼化锆粉末和中间相沥青基炭纤维。采用本发明制备的ZrB2基超高温陶瓷，其室温热导率达100W/(m·K)，高于国内外报道的纯ZrB2超高温陶瓷材料(约60W/(m·K))。
文档编号C04B35/622GK103253941SQ201310172949
公开日2013年8月21日 申请日期2013年5月10日 优先权日2013年5月10日
发明者孙新, 周延春, 李军平, 冯志海 申请人:航天材料及工艺研究所, 中国运载火箭技术研究院