一种原位反应制备的硅硼碳氮锆复相陶瓷及其方法与流程

本发明涉及一种原位反应制备的硅硼碳氮锆复相陶瓷及其方法，属于硅硼碳氮锆陶瓷复合材料及其制备方法技术领域。

背景技术：

硅硼碳氮陶瓷复合材料本身的共价键结构赋予其较高的热稳定性、抗高温氧化、抗高温蠕变等性能，加之其具有密度低、弹性模量低等优点，是一种新型的多功能高温防热材料，可用于航天器的机头锥帽、机翼前缘、舵面、盖板和喷管等。

硼化锆陶瓷常温和高温下强度均很高，耐热震性好。具有耐高温、电阻小、高温下抗氧化等诸多优点。通过溶胶凝胶法将硼化锆引入到硅硼碳氮基体中，能够很好的提高陶瓷材料的整体性能。然而，陶瓷本身的高共价键性又使其成为一种本质脆性材料，在使用过程中容易产生缺陷，导致灾难性的破坏，在一定程度上限制了其应用范围。因此，陶瓷的强韧化技术一直备受研究人员的关注。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提高硅硼碳氮陶瓷耐烧蚀性，进而提供一种原位反应制备硅硼碳氮锆复相陶瓷及其方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种原位反应制备的硅硼碳氮锆复相陶瓷，由正丙醇锆、乙酰丙酮、无水乙醇、硅粉、石墨和六方氮化硼为原料制备而成。所述正丙醇锆、乙酰丙酮和无水乙醇的摩尔比为1:1:40，所述硅粉、石墨和六方氮化硼的摩尔比为2:3:1。其中，锆源所占高能球磨后硅硼碳氮粉末的摩尔比为15％。

一种原位反应制备硅硼碳氮锆复相陶瓷的方法，

步骤一、将正丙醇锆、乙酰丙酮和无水乙醇混合后进行磁力搅拌，制成溶胶溶液，所述磁力搅拌时间为45～50小时；正丙醇锆、乙酰丙酮、无水乙醇的摩尔比为1:1:40；

步骤二、将硅粉、石墨和六方氮化硼粉体混合到步骤一得到的溶胶溶液中，进行磁力搅拌得到混合溶液，所述磁力搅拌时间为45～50小时；硅粉、石墨和六方氮化硼的摩尔比为2:3:1；

步骤三、将步骤二得到的混合溶液放入干燥炉中进行干燥，干燥温度为75℃～85℃，干燥时间为24～48小时，得到干燥凝胶；

步骤四、将步骤三得到的干燥凝胶放入高温管式炉中，在管式炉中裂解得到硅硼碳氮-氧化锆混合物粉末，裂解温度为500℃～600℃，裂解时间为1.5～2.5小时，保护气氛为氮气；

步骤五、将步骤四中得到的硅硼碳氮-氧化锆混合物粉末在放电等离子炉中烧结，烧结温度为2000℃，烧结压力为35～45MPa，烧结气氛为真空，烧结保温时间为5分钟，最终得到硅硼碳氮锆陶瓷复合材料。

本发明制备的硅硼碳氮锆陶瓷复合材料经测试，其抗弯强度为411±16MPa，弹性模量为160±16GPa，断裂韧性为5.0±0.1MPa·m^1/2。本发明的硅硼碳氮锆陶瓷复合材料制备中所用原料易得价廉，工艺简单，制备周期短；本发明的硅硼碳氮锆陶瓷复合材料综合性能好，适于制造航天防热用核心零部件。

附图说明

图1为硅硼碳氮锆陶瓷复合陶瓷材料的TEM照片(明场像)。

图2为硅硼碳氮锆陶瓷复合陶瓷材料的TEM照片(面扫描)。

图3为图1中选定区域的HRTEM照片。

具体实施方式

下面将对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

本实施例所涉及的一种原位反应制备硅硼碳氮锆复相陶瓷，由正丙醇锆、乙酰丙酮、无水乙醇、硅粉、石墨和六方氮化硼为原料制备而成。正丙醇锆、乙酰丙酮和无水乙醇的摩尔比为1:1:40，硅粉、石墨和六方氮化硼的摩尔比为2:3:1。其中，锆源所占高能球磨后硅硼碳氮粉末的摩尔比为15％。

所述硅粉、石墨和六方氮化硼粉体的纯度均为99％～99.9％。

所述硅粉、石墨和六方氮化硼粉体的粒径均为1～20μm。

本实施例所涉及的一种原位反应制备硅硼碳氮锆复相陶瓷的方法，其步骤如下：

步骤一、将正丙醇锆、乙酰丙酮和无水乙醇混合后进行磁力搅拌，制成溶胶溶液，所述磁力搅拌时间为45～50小时；正丙醇锆、乙酰丙酮、无水乙醇的摩尔比为1:1:40。

步骤二、将硅粉、石墨和六方氮化硼粉体混合到步骤一得到的溶胶溶液中，进行磁力搅拌得到混合溶液，所述磁力搅拌时间为45～50小时；硅粉、石墨和六方氮化硼的摩尔比为2:3:1。

步骤三、将步骤二得到的混合溶液放入干燥炉中进行干燥，干燥温度为75℃～85℃，干燥时间为24～48小时，得到干燥凝胶；

步骤四、将步骤三得到的干燥凝胶放入高温管式炉中，在管式炉中裂解得到硅硼碳氮-氧化锆混合物粉末，裂解温度为500℃～600℃，裂解时间为1.5～2.5小时，保护气氛为氮气；

步骤五、将步骤四中得到的硅硼碳氮-氧化锆混合物粉末在放电等离子炉中烧结，烧结温度为2000℃，烧结压力为35～45MPa，烧结气氛为真空，烧结保温时间为5分钟，最终得到硅硼碳氮锆陶瓷复合材料。

所述步骤一中，磁力搅拌时间为48小时。

所述步骤二中，磁力搅拌时间为48小时。

所述步骤三中，干燥温度为80℃，干燥时间为40小时。

所述步骤四中，裂解温度为550℃，裂解时间为2小时。

所述步骤五中，烧结温度为2000℃，烧结压力为40MPa。

本实施例得到的硅硼碳氮锆陶瓷复合材料的微观组织结构由SiC、ZrB₂以及非晶态的BCN相混合而成。本实施方式得到的硅硼碳氮锆陶瓷复合材料的抗弯强度为423.1MPa，弹性模量为160GPa，断裂韧性为5.33MPa·m^1/2，断裂过程中表现出伪塑性变形行为。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。