采用液相烧结制备以氧化锆为增韧相的碳化硅陶瓷的方法
【专利摘要】本发明涉及一种采用液相烧结制备以氧化锆为增韧相的碳化硅陶瓷的方法，所述方法包括：1）将含有SiC粉体、Al2O3粉体、Y2O3粉体和ZrO2粉体的原料与溶剂均匀混合得到碳化硅陶瓷浆料；2）将碳化硅陶瓷浆料干燥后、粉碎、研磨、过筛得到碳化硅陶瓷粉体；3）将碳化硅陶瓷粉体通过干压、等静压处理得到碳化硅陶瓷素坯；4）将碳化硅陶瓷素坯烧结。
【专利说明】采用液相烧结制备以氧化锆为增韧相的碳化硅陶瓷的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于碳化硅陶瓷领域，具体涉及一种采用液相烧结制备以氧化锆为增韧相 的碳化硅陶瓷的方法。
【背景技术】
[0002] 碳化硅陶瓷由于具有高硬度，高强度，高热导，热膨胀系数低，耐磨损，耐酸碱腐蚀 性强，抗氧化性强等特点而成为一种非常重要的工程材料。但是与大多数陶瓷材料一样， 碳化硅陶瓷也具有断裂韧性低的特点，这限制了碳化硅陶瓷的大规模应用。无压液相烧结 技术降低了碳化硅陶瓷烧结致密化所需的温度，使得获得的碳化硅陶瓷具有均匀的细晶结 构。这使得液相烧结碳化硅陶瓷相比于传统的反应烧结和固相烧结碳化硅陶瓷具有较好的 力学性能，尤其是断裂韧性。但是液相烧结碳化硅陶瓷的断裂韧性依然差强人意，离实现实 际应用尚有距离。因而，提高碳化硅陶瓷断裂韧性是实现碳化硅陶瓷大规模应用的必经之 路。Bucevac等学者通过加入Ti0 2, B4C和C进行原位反应生成TiB2来达到增韧SiC陶瓷的 目的，在TiB 2含量为30V〇1%得到了断裂韧性高达5. 7MPa m1/2的SiC陶瓷。Kim等人则通 过添加 TiC来对SiC陶瓷进行增韧，在TiC含量为30wt %时，获得了断裂韧性高达7. 8MPa m1/2的SiC陶瓷。这些方法虽然都在一定程度上提高了 SiC陶瓷的断裂韧性，但是大量这些 物质的加入势必会对SiC陶瓷的无压烧结致密化造成影响。因此，该领域迫切需要一种以 掺杂少量增韧相制备碳化硅陶瓷，以减少对碳化硅陶瓷致密化不利影响。
【发明内容】
[0003] 本发明旨在克服现有碳化硅陶瓷制备方法的不足，本发明提供了一种以氧化锆为 增韧相的碳化硅陶瓷的制备方法。
[0004] 本发明提供了一种采用液相烧结制备以氧化锆为增韧相的碳化硅陶瓷的方法，所 述方法包括： 1) 将含有SiC粉体、A1203粉体、Y203粉体和Zr0 2粉体的原料与溶剂均匀混合得到碳化 硅陶瓷浆料，其中，A1203粉体占原料的2. 19-4. 38wt %，Y203粉体占原料的2. 81-5. 62wt %， Zr02粉体占原料的l-5wt%，原料中其余部分为SiC粉体； 2) 将步骤1)制备的碳化硅陶瓷浆料干燥后、粉碎、研磨、过筛得到碳化硅陶瓷粉体； 3) 将步骤2)制备的碳化硅陶瓷粉体通过干压、等静压处理得到碳化硅陶瓷素坯； 4) 将步骤3)制备的碳化硅陶瓷素坯在氩气气氛、1850-1950°C下烧结，即得所述以氧 化锆为增韧相的碳化硅陶瓷。
[0005] 本发明的增韧机理在于Zr02与SiC的原位反应：Zr02+3SiC = ZrC+3Si(l)+2C0(g)。反应所得产物与SiC之间热膨胀系数失配，导致残余应力场的产生。 残余应力场诱导裂纹偏转，使得断裂韧性得以提高。
[0006] 较佳地，步骤1)中，所述SiC粉体、所述A1203粉体和所述Y 203粉体的平均粒径可 为0· 2-0. 8 μ m，所述SiC粉体可为a -SiC粉体。
[0007] 较佳地，步骤1)中，所述Zr02粉体的纯度可> 98wt %，平均粒径可为0. 5-2 μ m。
[0008] 较佳地，步骤1)中，A1203粉体和Y20 3粉体的摩尔比可为5:5?5: 3。
[0009] 较佳地，步骤1)中，原料与溶剂的均匀混合可通过湿法球磨实现，所述原料与SiC 球研磨介质的质量比可为1 : (1-3)。
[0010] 较佳地，步骤1)中，步骤1)中，碳化硅陶瓷浆料的固含量可为40?60%。
[0011] 较佳地，步骤3)中，干压的参数可为：干压压力为10-60MPa，干压时间为1?5分 钟。
[0012] 较佳地，步骤3)中，等静压的参数可为：等静压压力为100_300MPa，等静压时间为 1?10分钟。
[0013] 较佳地，步骤1)中制备的陶瓷浆料中还含有粘结剂，步骤3)中等静压处理之后还 有脱粘工艺，脱粘的参数可为：脱粘温度600?1000°C，脱粘时间60?120分钟。
[0014] 较佳地，步骤4)中，烧结工艺中的保温时间可为30-120分钟，升温速率可为2? 10°C /分钟。
[0015] 本发明的有益效果： 本发明中通过掺杂少量的增韧相使得碳化硅陶瓷的断裂韧性得以提高。本发明在同一 烧结制度下1920°c -lh，通过添加不同含量Zr02粉体，得到了不同密度和力学性能的液相 烧结SiC陶瓷，维氏硬度最高可达25. 3GPa，抗弯强度最高可达586MPa，断裂韧性最高可达 5. 97MPa m1/2。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1示出了本发明的一个实施方式中Zr02粉体占原料的lwt%时无压液相烧结制 备的SiC陶瓷的裂纹形貌微结构图； 图2示出了本发明的一个实施方式中Zr02粉体占原料的3wt %时无压液相烧结制备的 SiC陶瓷的裂纹形貌微结构图； 图3示出了本发明的一个实施方式中Zr02粉体占原料的5wt%时无压液相烧结制备的 SiC陶瓷的裂纹形貌微结构图； 图4示出了本发明的一个实施方式中Zr02粉体占原料的5wt%时无压液相烧结制备的 SiC陶瓷的物相分析图。
【具体实施方式】
[0017] 以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式 仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0018] 本发明涉及一种以氧化锆为增韧相的液相烧结碳化硅陶瓷的制备方法，属于碳化 硅陶瓷领域。其特征在于选用a-SiC粉体为原料之一，氧化铝和氧化钇为烧结助剂；氧 化锆粉体为增韧相。烧结助剂粉体占原料粉体总量的5wt%?10wt%，氧化锆粉体占原料 粉体总量的lwt%?5wt% ;将原料配制成40wt% -60wt%的浆料；然后以SiC球作为球 磨介质，行星球磨，烘干，粉碎，过筛，干压和等静压，脱粘后，在氩气气氛下烧结。本发明一 个实施方式中制备得到的液相烧结碳化硅陶瓷的维氏硬度为23. 6-25. 3GPa，抗弯强度为 513-586MPa，断裂韧性为 5. 17-5. 97MPa m1/2。
[0019] 本发明提供了一种氧化锆为增韧相的液相烧结碳化硅陶瓷的制备方法，包括以下 步骤： (a) 以a -SiC粉体，A1203粉体，Y203粉体和Zr0 2粉体作为初始原料;A1203粉体和 Y2〇3粉体的摩尔比例为5 :3, A1203粉体占原料总量的2. 19?4. 38wt%，Y203粉体占总量的 2. 81?5. 62wt%，Zr02粉体占粉体总量的1?5wt% ; (b) 以酒精为溶剂，将原料配成40-60wt %的浆料，以SiC球为研磨介质，混合，烘干，研 磨，过筛，干压，等静压，脱粘后，在氩气气氛中烧结。
[0020] 所述a -SiC粉体，A1203粉体和Y203粉体的平均粒径为0. 2?0. 8 μ m。
[0021] 所述原料与SiC球研磨介质的质量比为1:1?1:3。
[0022] 所述Zr02粉体的纯度> 98wt %，平均粒径为0. 5?2 μ m。
[0023] 所述干压压力为lOMPa?60MPa。
[0024] 所述等静压压力为lOOMPa?300MPa。
[0025] 所述烧结温度为1850-1950°C，保温时间为30-120min。
[0026] 氧化锆陶瓷素以断裂韧性高而著称，因此本发明通过引入低含量的Zr02增强相， 以氧化铝以及氧化钇作为烧结助剂，通过无压液相烧结法来制备高断裂韧性的碳化硅陶 瓷。相比于无 Zr02增强相的无压液相烧结碳化硅陶瓷，其断裂韧性得到了显著提高。
[0027] 本发明的增韧机理在于Zr02与SiC的原位反应：Zr02+3SiC = ZrC+3Si(l)+2C0(g)。反应所得产物与SiC之间热膨胀系数失配，导致残余应力场的产生。 残余应力场诱导裂纹偏转，使得断裂韧性得以提高。
[0028] 本发明在同一烧结制度下1920°C _lh，通过添加不同含量Zr02粉体，得到了不 同密度和力学性能的液相烧结SiC陶瓷，维氏硬度最高可达25. 3GPa，抗弯强度最高可达 586MPa，断裂韧性最高可达5. 97MPa m1/2。
[0029] 表1为不同Zr02粉体含量（烧结温度1920°C、时间lh)的无压液相烧结SiC陶瓷 力学性能。从表中可以看出，随着添加 Zr02含量的增加，SiC陶瓷的断裂韧性增强。
[0030]
【权利要求】
1. 一种采用液相烧结制备以氧化锆为增韧相的碳化硅陶瓷的方法，其特征在于，所述 方法包括： 1) 将含有Sic粉体、A1203粉体、Y203粉体和Zr0 2粉体的原料与溶剂均匀混合得到碳化 硅陶瓷浆料，其中，A1203粉体占原料的2. 19-4. 38 wt%，Y203粉体占原料的2. 81-5. 62wt%， Zr02粉体占原料的l-5wt%，原料中其余部分为SiC粉体； 2) 将步骤1)制备的碳化硅陶瓷浆料干燥后、粉碎、研磨、过筛得到碳化硅陶瓷粉体； 3) 将步骤2)制备的碳化硅陶瓷粉体通过干压、等静压处理得到碳化硅陶瓷素坯； 4) 将步骤3)制备的碳化硅陶瓷素坯在氩气气氛、1850-1950°C下烧结，即得所述以氧化 锆为增韧相的碳化硅陶瓷。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述SiC粉体、所述A1203粉 体和所述Y 2〇3粉体的平均粒径为〇. 2-0. 8 μ m，所述SiC粉体为a -SiC粉体。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述Zr02粉体的纯度> 98wt%，平均粒径为0· 5-2 μ m。
4. 根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，步骤1)中，A1203粉体和Y20 3粉 体的摩尔比为5:5-5:3。
5. 根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于，步骤1)中，原料与溶剂的均匀混 合通过湿法球磨实现，所述原料与SiC球研磨介质的质量比为1 : (1-3)。
6. 根据权利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于，步骤1)中，碳化硅陶瓷浆料的固 含量为40-60%。
7. 根据权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于，步骤3)中，干压的参数为：干压 压力为l〇_6〇MPa，干压保压时间为1-5分钟。
8. 根据权利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于，步骤3)中，等静压的参数为：等 静压压力为100-300MPa，等静压保压时间为1-10分钟。
9. 根据权利要求1-8中任一所述的方法，其特征在于，步骤1)中制备的陶瓷浆料 中还含有粘结剂，步骤3)中等静压处理之后还有脱粘工艺，脱粘的参数为：脱粘温度 600-1000°C，脱粘时间60-120分钟。
10. 根据权利要求1-9中任一所述的方法，其特征在于，步骤4)中，烧结工艺中的保温 时间为30-120分钟，升温速率为2-10°C /分钟。
【文档编号】C04B35/622GK104140265SQ201410363201
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】梁汉琴, 黄政仁, 刘学建, 姚秀敏 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所