一种多元复合硼化锆基陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种陶瓷材料及其制备方法，尤其是涉及一种多元复合硼化锆基陶瓷材料，属于陶瓷材料技术领域。

背景技术：

超高温陶瓷(ultra-hightemperatureceramics，uhtcs)是一类熔点高于3000℃，期望能在1800℃以上应用的先进结构陶瓷。uhtcs主要包括ivb和vb族过渡金属的二元碳化物和硼化物。在uhtcs家族中，zrb2具有较低的理论密度，这在以轻量化结构设计为导向的航天航空领域有着巨大的优势。为进一步提高zrb2的性能，一般在zrb2中引入密度较低的sic。但采用一种强韧相，补强增韧结构单一，改性效果有限。因此，现有技术通过引入zrc与sic构成多元强韧化机构制得了zrb2-sic-zrc复合材料。该三元复合材料有不错的性能表现，但zrc抗氧化能力较弱，降低了材料的抗氧化性，此外，zrb2-sic-zrc陶瓷的断裂韧性仍然偏低，因此，选用合适且综合性能优良的增强相，成为进一步提高zrb2基超高温陶瓷综合性能的关键。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种多元复合硼化锆基陶瓷材料，解决解决了zrb2力学性能不足的问题，并可提高其抗氧化性能。本发明还提供了一种成本低、工艺条件简单且容易控制的多元复合硼化锆基陶瓷材料的制备方法。

本发明技术方案如下：

一种多元复合硼化锆基陶瓷材料，由zrb2基体、zr2[al(si)]4c5强韧相和sic强韧相组成，所述zrb2基体占所述多元复合硼化锆基陶瓷材料总体积的53～67％，所述sic强韧相占所述超高温陶瓷总体积的18～22％。

进一步的，所述zr2[al(si)]4c5强韧相为长柱状晶粒，所述sic强韧相为颗粒状晶粒。

一种多元复合硼化锆基陶瓷材料的制备方法，包括步骤：将原料氢化锆粉、碳化硼粉、硅粉、铝粉和石墨粉按照摩尔配比为7.6～8.4︰3.2～4.0︰3.4～4.2︰0.8～2.0︰1.2～4.2称量，所有原料经物理机械方法混匀后装入内壁喷涂氮化硼的石墨模具中冷压成型，在保护气氛环境中烧结，然后退火保温，最后随炉冷却。

优选的，所述烧结过程中升温速率为15～30℃/min；烧结温度为1750～1950℃；烧结时间为1～1.5h，烧结压强为20～30mpa。

优选的，所述退火保温时由烧结温度以降温速率为15～30℃/min降温至退火保温温度，所述退火保温温度为1450～1650℃，保温时间为20～40min，保温压强为20～30mpa。

优选的，所述保护气氛为氩气气氛。

优选的，所述氢化锆粉的纯度≥99.9％，粒度≤37μm；所述硅粉和铝粉的纯度均≥99.9％，粒度均≤48μm；所述石墨粉的纯度≥99.9％，粒度≤12μm；所述的碳化硼粉的纯度≥99％，粒度≤10μm。

优选的，所述物理机械混匀方法为滚磨。

本发明利用原位合成技术制备zr2[al(si)]4c5和sic多元协同作用的zrb2基超高温陶瓷，其基本原理是原料氢化锆粉在高温下发生分解，分解生成的锆粉与原料中的碳化硼粉和硅粉通过反应原位生成zrb2基体和sic强韧相，同时分解生成的锆粉也与原料中的铝粉、硅粉和石墨粉反应原位生成zr2[al(si)]4c5强韧相。颗粒状sic晶粒与长柱状zr2[al(si)]4c5晶粒构成不同尺度和形貌的强韧相体系，从而一步制得多元复合的新型zrb2基超高温陶瓷。

本发明所提供的技术方案的优点在于：

1、强韧相zr2[al(si)]4c5性能优异，其晶粒呈长柱状，可以对zrb2基体起到类似于晶须强韧化的效果，同时与颗粒状sic构成多元强韧化结构，通过多种强韧化机制作用于zrb2基体，提高材料的力学性能。

2、加热过程中，原料氢化锆分解产生高活性的细小锆粉与原料中的碳化硼粉和硅粉反应原位生成zrb2基体和一种强韧相sic，同时分解生成的锆粉与原料中的铝粉、硅粉和石墨粉反应原位生成另一种强韧相zr2[al(si)]4c5，从而一步制得zr2[al(si)]4c5和sic复合zrb2基陶瓷材料，工艺简单，成本低。

3、zr2[al(si)]4c5和sic均具有较低的密度，引入zr2[al(si)]4c5-sic强韧相体系在提高zrb2基体性能的同时可减轻材料重量，这在以轻量化结构设计为导向的超高温领域具有明显的应用优势。

4、所选用的原料简单，来源广泛易获得，且价格便宜易保存。

附图说明

图1是实施例2所得多元复合硼化锆基陶瓷材料的xrd图谱。

图2是实施例2所得多元复合硼化锆基陶瓷材料的抛光表面的扫描电镜照片。

图3是实施例2所得多元复合硼化锆基陶瓷材料的断口的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

实施例1

按氢化锆︰碳化硼︰硅︰铝︰石墨＝8.4︰4.0︰4.2︰0.8︰1.2的摩尔比称取原料氢化锆粉(纯度≥99.9％，粒度≤37微米)、碳化硼粉(纯度≥99％，粒度≤10微米)、硅粉(纯度≥99.9％，粒度≤48微米)、铝粉(纯度≥99.9％，粒度≤48微米)和石墨粉(纯度≥99.9％，粒度≤12微米)后，置于球磨罐中混匀，然后置于表面喷涂有氮化硼的石墨模具中冷压成型，于氩气氛中热压烧结，以15℃/min的速率升温至1750℃，到达烧结温度点后，压力逐渐加至30mpa，保温1.5h，然后以15℃/min的速率降温，在1450℃，30mpa压力下退火保温40min，最后关掉电源随炉冷却，获得所述复合材料，其中zrb2和sic的体积分数分别约为67％和22％，材料的致密度≥99％，在万能试验机上测试材料的三点抗弯强度达到439mpa，采用单边缺口梁法测试材料的断裂韧性达到4.5mpa·m^1/2。

实施例2

按氢化锆︰碳化硼︰硅︰铝︰石墨＝8.0︰3.6︰3.8︰1.4︰2.7的摩尔比称取原料氢化锆粉(纯度≥99.9％，粒度≤37微米)、碳化硼粉(纯度≥99％，粒度≤10微米)、硅粉(纯度≥99.9％，粒度≤48微米)、铝粉(纯度≥99.9％，粒度≤48微米)和石墨粉(纯度≥99.9％，粒度≤12微米)后，置于球磨罐中混匀，然后置于表面喷涂有氮化硼的石墨模具中冷压成型，于氩气氛中热压烧结，以20℃/min的速率升温至1850℃，到达烧结温度后，压力逐渐加至25mpa，保温1.2h，然后以20℃/min的速率降温，在1550℃，25mpa压力下退火保温30min，最后关掉电源随炉冷却。获得所述复合材料，其中zrb2和sic的体积分数分别约为60％和20％，材料的致密度≥99％，在万能试验机上测试材料的三点抗弯强度达到493mpa，采用单边缺口梁法测试材料的断裂韧性达到5.2mpa·m^1/2。对制得的样品进行xrd分析，如图1所示，样品由zrb2、sic和zr2[al(si)]4c5组成。对样品的抛光表面和断口进行sem分析，分别如图2和3所示，三种物相的晶粒清晰可见，材料结构致密，且晶粒细小。

实施例3

按氢化锆︰碳化硼︰硅︰铝︰石墨＝7.6︰3.2︰3.4︰2.0︰4.2的摩尔比称取原料氢化锆粉(纯度≥99.9％，粒度≤37微米)、碳化硼粉(纯度≥99％，粒度≤10微米)、硅粉(纯度≥99.9％，粒度≤48微米)、铝粉(纯度≥99.9％，粒度≤48微米)和石墨粉(纯度≥99.9％，粒度≤12微米)后，置于球磨罐中混匀，然后置于表面喷涂有氮化硼的石墨模具中冷压成型，于氩气氛中热压烧结，以30℃/min的速率升温至1950℃，到达烧结温度后，压力逐渐加至20mpa，保温1h，然后以30℃/min的速率降温，在1650℃，20mpa压力下退火保温20min，最后关掉电源随炉冷却。获得所述复合材料，其中zrb2和sic的体积分数分别约为53％和18％，材料的致密度≥99％，在万能试验机上测试材料的三点抗弯强度达到566mpa，采用单边缺口梁法测试材料的断裂韧性达到5.8mpa·m^1/2。