一种原位碳化硅-铁硅复合材料及其制备方法与流程

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种原位碳化硅-铁硅复合材料及其制备方法。

背景技术：

碳化硅陶瓷具有优异的机械性能，如：摩擦系数低，抗弯强度高，且其热学和电学性能也非常出众。优异的机械性能使得碳化硅成为重要的结构材料之一，如轴承、机械密封环、装甲车防弹板等。出众的热学性能和电性能又使得碳化硅可用于制作某些功能材料，如催化剂载体、电子散热板、敏感电阻等，应用潜力巨大。

但是，本征脆性是陶瓷材料一种天然的缺陷，碳化硅也不例外。同时，因为碳化硅是强共价键化合物，常规烧结时扩散系数很低，一般需要很高的烧结温度才能最终成型。因此，可选用有较好韧性的金属(fe、al、cu等)与之复合，以解决脆性和强度不足的缺陷，同时在烧结过程中加入一些烧结助剂(al2o3+y2o3、v2o5、mgo等)引发液相烧结，促进碳化硅的结晶过程和致密化行为。但对碳化硅而言，因为其与fe、al等常见金属的润湿性很差，导致金属与陶瓷之间的界面结合很差，影响了材料的最终性能。这也是目前碳化硅-金属复合材料的难点之一。随着航空航天、汽车、原子能等高精尖行业的迅猛发展，对低成本高性能碳化硅基复合材料的需求将日益增加。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，旨在解决碳化硅-金属复合材料界面结合差、制备过程复杂等缺陷，并提供了一种原位碳化硅-铁硅复合材料及其制备方法。以碳化硅和氧化铁为原料，高温原位形成铁硅增强相。因为金属间化合物铁硅与碳化硅有更好的润湿性能，同时在原位形成铁硅时会生成部分液相，引发液相烧结以促进烧结。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种原位碳化硅-铁硅复合材料，包括原料和粘结剂，其中，所述的原料组分及其质量百分比为，碳化硅35～73％，碳粉5～12％和氧化铁22～53％，所述的粘结剂添加质量为原料总质量的1～5％。

进一步地，所述的碳化硅为纯度≥98％的工业碳化硅粉。

进一步地，所述的碳粉为活性炭、炭黑、石墨或木炭的一种或多种。

进一步地，所述的氧化铁为化学纯或工业纯fe2o3，并且加入量与碳粉遵循如下化学式配比：3c(s)+fe2o3(s)→2fe(s)+3co(g)。

进一步地，所述的粘结剂为固态酚醛树脂、液态酚醛树脂、沥青或水玻璃中的一种或多种。

所述的原位碳化硅-铁硅复合材料物相为α-sic、sio2、fexsiy(fesi、fesi2、fe3si、fe5si3)和c，显气孔率为42～68％，体积密度为1.3～1.8g·cm^-3，常温抗压强度为6.4～15.8mpa，室温至1000℃的空冷热震循环次数达到50～66次。

一种原位碳化硅-铁硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)配料：

按质量百分比：碳化硅35～73％，碳粉5～12％，氧化铁22～53％，将原料混合均匀，并按质量添加原料1～5％的粘结剂，使粘结剂与原料均匀混合，形成混合原料；

(2)成型：

将混合原料压制成型；

(3)干燥：

将压制成型的生坯在干燥箱或隧道干燥窑中充分干燥；

(4)烧结：

将经过干燥的试样放入高温炉，并在高纯氩气保护下完成烧结，随炉冷却后制得原位碳化硅-铁硅复合材料。

进一步地，所述步骤(1)中的混合方式为高能球磨，所述的高能球磨按2∶1球料比混合，球磨转速为200～400r·min^-1，球磨时间为1～8h。

进一步地，所述步骤(2)中，压制成型操作在不锈钢模具中进行。

进一步地，所述步骤(2)中的成型方式为模压成型或等静压成型的一种，成型压力为50～300mpa，保压时间为3～5min。

进一步地，所述步骤(3)中的干燥温度为70～120℃，干燥保温时间为8～12h。

进一步地，所述步骤(4)中的高温炉为箱式电阻炉、管式电阻炉、隧道窑中的一种；烧结温度为1400～1600℃，烧结保温时间为2～10h。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用碳热还原法原位生成铁硅相，与碳化硅界面复合更好，解决了传统碳化硅-金属复合材料界面结合差的问题。

(2)在高温原位形成铁硅相的过程中，会有液相生成，少量液相将促进烧结过程，降低了材料的烧结温度，节约能耗。

(3)在制备过程中氧化铁还可作为铁源和造孔剂，碳粉可作为还原剂和造孔剂，可通过调整其添加量制成多孔碳化硅-铁硅复合材料，扩大了碳化硅-铁硅复合材料的应用范围。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程图；

图2为实施例3制备的碳化硅-铁硅复合材料的xrd图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

以下通过实施例对本发明的技术方案做更详细的说明，但本发明并不局限于以下实施例，所述只是适用本发明的部分实例。

实施例中采用的碳化硅为市购纯度≥98％的工业碳化硅粉。

实施例1

一种原位碳化硅-铁硅复合材料，包括原料和固态酚醛树脂，其中，所述的原料组分及其质量百分比为，碳化硅73％，碳粉5％和氧化铁22％；所述的固态酚醛树脂添加质量为原料总质量的3％。

一种原位碳化硅-铁硅复合材料的制备方法，其工艺流程图如图1所示，由以下具体步骤制成：

(1)按质量分数为73％工业碳化硅粉、22％三氧化二铁，5％活性炭配料，另外加3％的固态酚醛树脂(与酒精一起使用)，并球磨转速为200～400r·min^-1，球磨2h，形成混合原料；

(2)将混合原料装入不锈钢模具，用单轴手动压样机在100mpa压力下保压5min制成φ20mm×20mm的素坯；

(3)将素坯在恒温干燥箱中100℃保温6h充分干燥；

(4)将干燥后的素坯放入真空管式炉中以5℃/min升温至1400℃保温2h，随炉冷却，便可制得碳化硅-铁硅复合材料。

本实施例相关性能指标如下：

经检测，制得碳化硅-铁硅复合材料的物相为6h-sic、fe3si；显气孔率为42％；体积密度为1.8g·cm^-3；常温耐压强度为15.8mpa；室温至1000℃的空冷热震循环次数达到55次。

实施例2

一种原位碳化硅-铁硅复合材料，包括原料和固态酚醛树脂，其中，所述的原料组分及其质量百分比为，工业碳化硅粉57％，碳粉8％和三氧化二铁35％，所述的固态酚醛树脂添加质量为原料总质量的5％，其中，碳粉为石墨与活性炭1∶1混合的料。

一种原位碳化硅-铁硅复合材料的制备方法，其工艺流程图如图1所示，由以下具体步骤制成：

(1)按质量分数为工业碳化硅粉57％，碳粉8％和三氧化二铁35％配料，另外加5％的固态酚醛树脂(与酒精一起使用)，并球磨转速为200～400r·min^-1，球磨2h，形成混合原料；

(2)将混合原料装入不锈钢模具，用单轴手动压样机在100mpa压力下保压5min制成中20mm×20mm的素坯；

(3)将素坯在恒温干燥箱中100℃保温6h充分干燥；

(4)将干燥后的素坯放入真空管式炉中以5℃/min升温至1500℃保温4h，随炉冷却，便可制得碳化硅-铁硅复合材料。

本实施例相关性能指标如下：

制得碳化硅-铁硅复合材料的物相为6h-sic、fe3si、sio2；显气孔率为50％；体积密度为1.74g·cm^-3；常温耐压强度为10.9mpa；热震试验：室温至1000的空冷热震循环次数达到50次。

实施例3

一种原位碳化硅-铁硅复合材料，包括原料和液态酚醛树脂，其中，所述的原料组分及其质量百分比为，工业碳化硅粉碳化硅35％，碳粉12％和三氧化二铁53％，所述的液态酚醛树脂添加质量为原料总质量的5％。

一种原位碳化硅-铁硅复合材料的制备方法，其工艺流程图如图1所示，由以下具体步骤制成：

(1)按质量分数为工业碳化硅粉57％，碳粉8％和三氧化二铁35％配料，另外加5％的固态酚醛树脂(与酒精一起使用)，并球磨转速为200～400r·min^-1，球磨2h，形成混合原料；

(2)将混合原料装入不锈钢模具，用单轴手动压样机在100mpa压力下保压5min制成φ20mm×20mm的素坯；

(3)将素坯在恒温干燥箱中100℃保温6h充分干燥；

(4)将干燥后的素坯放入真空管式炉中以5℃/min升温至1600℃保温4h，随炉冷却，便可制得碳化硅-铁硅复合材料，其xrd图如图2所示。

本实施例相关性能指标如下：

制得碳化硅-铁硅复合材料的物相为6h-sic、fe3si、fe5si3、sio2、c；显气孔率为68％；体积密度为1.37g·cm^-3；常温耐压强度为6.4mpa；室温至1000℃的空冷热震循环次数达到66次。