專利名稱：一種硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三元陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。
技術(shù)背景硼化物陶瓷材料在高溫環(huán)境及反應(yīng)氣氛中能夠保持良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，其熔點均超過3000°C。硼化物陶瓷材料憑借其優(yōu)異的物理性能(高的 熔點、熱導(dǎo)率、彈性模量以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性)，已成為現(xiàn)代飛行器關(guān)鍵部 位最有前途的候選材料，在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。硼化物陶瓷材料雖然具有諸多優(yōu)點，但是其較低的強度和斷裂韌性一直 沒有得到很好的解決，是限制其優(yōu)異性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素之一。常規(guī)方法是 向硼化物基體中添加第二相組元，以起到增韌補強的效果。目前，研究最多 的是在硼化物基體中加入彌散的碳化硅顆粒。碳化硅顆粒的引入，能提高材 料的致密度并抑制基體顆粒長大從而有效提高材料的抗彎強度。但是，由于 不具備明顯的長徑比特征，顆粒的引入對材料韌性的提高并不明顯。還有的 研究者將具有明顯長徑比特征的碳化硅晶須或碳纖維引入到硼化物陶瓷中， 希望獲得較高的斷裂韌性。但是在實際的材料制備過程中所使用的高溫高壓 環(huán)境往往會破壞晶須和碳纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致碳化硅晶須和碳纖維 發(fā)生斷裂或降解，從而失去增韌效果。同時，在增韌的同時必須犧牲一定的 強度，所以一直沒有解決增加現(xiàn)有超高溫陶瓷材料韌性的問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有超高溫陶瓷材料存在韌性低的缺陷，而提供一種 硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料是按照體積百分比 由50%~80%的硼化物、10%~30%的碳化硅和5%~30%的碳化硼制成的。本發(fā)明的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料按照如下方法進行 制備 一、按照體積百分比取50%~80%的硼化物、10% 30%的碳化硅和 5%~30%的碳化硼進行濕混，然后干燥，再過60~325目篩；二、過篩后的粉 末放入石墨模具中，在真空或惰性氣體保護下進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)壓力為 10 MMPa，.以5~25°C/min的升溫速度升溫至1500 2200°C ，并保溫20 90分 鐘；即得到硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料。本發(fā)明的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法中的 硼化物為硼化鋯或硼化鉿。本發(fā)明中的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料的原料采用市售的硼化鋯、硼化鉿、碳化硅和碳化硼粉末，其中硼化鋯和硼化鉿的粒徑為0.5~10|im，碳化硅和碳化硼的粒徑為0.5~5nm。本發(fā)明制備的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料，其強韌化機理 在于碳化硅顆粒和碳化硼顆粒的加入能有效抑制硼化物陶瓷晶粒的生長， 有利于細晶強化機制的發(fā)生；同時，由于熱膨脹系數(shù)的差異，碳化硼的引入 能在基體內(nèi)產(chǎn)生大量微裂紋，實現(xiàn)微裂紋增韌機制。本發(fā)明將碳化硅顆粒和超細碳化硼顆粒共同引入到硼化物超高溫陶瓷材 料體系中，在提高陶瓷材料強度的同時，也顯著提高材料的斷裂韌性，從而 有效提高材料的使用可靠性。在室溫下，本發(fā)明的硼化物-碳化硅-碳化硼三元 陶瓷基復(fù)合材料的抗彎強度值均高于683MPa (采用三點彎曲斷裂法，試樣尺 寸為4x3x3'6mm3，壓頭位移速率0.5mm/min)，最高可達到890MPa;它的斷 裂韌性值在5.4MPa/m2以上，最高可達到7.1MPa/m2 (采用單邊切口梁三點彎 曲斷裂法，試樣尺寸為2x4x22mm3，壓頭位移速率0.05mm/min)。本發(fā)明制 備的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料，其斷裂韌性明顯高于國內(nèi)外 報道的同體系材料的斷裂韌性(4.2MPa/m2)，抗彎強度與現(xiàn)有材料的 500 700MPa相比沒有降低，說明本發(fā)明在提高材料韌性的同時沒有降低材料 的抗彎強度。本發(fā)明制備的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料致密度 為97.5%~99.7%。
具體實施方式
具體實施方式
一本實施方式的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料是按照體積百分比由50%~80%的硼化物、10% 30%的碳化硅和5%~30%的 碳化硼制成的。
具體實施方式
二本實施方式的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材 料是按照體積百分比由60%~70%的硼化物、15% 25°/。的碳化硅和10%~25% 的碳化硼制成的。
具體實施方式
三本實施方式的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材 料是按照體積百分比由65%的硼化物、20%的碳化硅和15%的碳化硼制成的。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一、二或三的不同點為硼化物為硼化鋯或硼化鉿。其它與具體實施方式
一、二或三相同。
具體實施方式
五本實施方式的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材 料按照如下方法進行制備 一、按照體積百分比取50%~80%的硼化物、10%~30%的碳化硅和5%~30°/。的碳化硼進行濕混，然后干燥，再過60~325目 篩；二、過篩后的粉末放入石墨模具中，在真空或惰性氣體保護下進行熱壓 燒結(jié)，燒結(jié)壓力為10 35MPa，以5 25°C/min的升溫速度升溫至1500 2200°C， 并保溫20~90分鐘；即得到硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟一中按照體積百分比取60% 70%的硼化物、15%~25%的碳化硅和10%~25°/。的碳 化硼進行濕混。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
五的不同點為按照體積百分比取65%的硼化物、20%的碳化硅和15%的碳化硼進行濕混。其它步驟 及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
五、六或七的不同點為 步驟一中硼化物為硼化鋯或硼化鉿。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五、六 或七相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟一中的濕混采用無水乙醇作為介質(zhì)，無水乙醇加入的量沒過原料3 6mm。其它步 驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟一中 的干燥采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器進行干燥。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。 本實施方式中旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上的壓力表指數(shù)無變化時干燥完畢。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟一中過100~280目篩。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
十二本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟一中過180 200目篩。其它歩驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟一 中過1卯目篩。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟二 中惰性氣體為氬氣或氮氣。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟二中燒結(jié)壓力為15 30MPa。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟二中燒結(jié)壓力為20 25MPa。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟二中燒結(jié)壓力為22.5MPa。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
十八本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟二中以10 2(TC/min的升溫速度升溫至1700 2000°C。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
十九本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟二 中以15°C/min的升溫速度升溫至1850°C。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五 相同。
具體實施方式
二十本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟二 中升溫后保溫40 70分鐘。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
二十一本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟 二中升溫后保溫55分鐘。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
二十二本實施方式與具體實施方式
五的不同點為步驟一中硼化物的粒徑為0.5~10pm，碳化硅和碳化硼的粒徑為0.5~5pm。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
二十三本實施方式的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料按照如下方法進行制備 一、按照體積百分比取75%的硼化鉿、15%的碳化硅和10%的碳化硼進行濕混，干燥，再過150目篩；二、過篩后的粉末放入石墨模具中，在真空或惰性氣體保護下進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)壓力為35MPa，以15°C/min的升溫速度升溫至1750°C，并保溫30分鐘；即得到硼 化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料。本實施方式步驟一的濕混采用無水乙醇作為介質(zhì)，加入無水乙醇至沒過 原料5mm;干燥采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器進行干燥以除去乙醇，蒸發(fā)器上的壓力表指 數(shù)無變化時表示干燥完成。本實施方式制備的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料在室溫的 條件下采用三點彎曲斷裂法進行抗彎強度測試，試樣尺寸為4x3x36mm3，壓 頭位移速率0.5mm/min，測得抗彎強度為890MPa;采用單邊切口梁三點彎曲 斷裂法進行斷裂韌性值測試，試樣尺寸為2x4x22mm3，壓頭位移速率 0.05mm/min，斷裂韌性值6.7MPa/m2，材料致密度為98.4%。
權(quán)利要求
1、一種硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料，其特征在于硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料是按照體積百分比由50％～80％的硼化物、10％～30％的碳化硅和5％～30％的碳化硼制成的。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材 料，其特征在于硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料是按照體積百分比 由60%~70%的硼化物、15%~25°/。的碳化硅和10% 25%的碳化硼制成的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材 料，其特征在于硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料是按照體積百分比 由65%的硼化物、20%的碳化硅和15%的碳化硼制成的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1、 2或3所述的一種硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基 復(fù)合材料，其特征在于硼化物為硼化鋯或硼化鉿。
5、 一種硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征 在于硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料按照如下方法進行制備一、 按照體積百分比取50%~80%的硼化物、10%~30%的碳化硅和5% 30%的碳化 硼進行濕混，然后干燥，再過60 325目篩；二、過篩后的粉末放入石墨模具 中，在真空或惰性氣體保護下進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)壓力為10 35MPa，以 5 25°C/min的升溫速度升溫至1500 2200°C，并保溫20~90分鐘；即得到硼 化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材 料的制備方法，其特征在于步驟一中過100 280目篩。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材 料的制備方法，其特征在于步驟二中惰性氣體為氬氣或氮氣。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材 料的制備方法，其特征在于步驟二中燒結(jié)壓力為20 25MPa。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材 料的制備方法，其特征在于步驟二中以10 20°C/min的升溫速度升溫至 1700~2000°C。
10、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的二種硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材 料的制備方法，其特征在于步驟二中升溫后保溫40~70分鐘。
全文摘要
一種硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，它涉及一種三元陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有超高溫陶瓷材料存在韌性低的缺陷。本發(fā)明的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料是按照體積百分比由50％～80％的硼化物、10％～30％的碳化硅和5％～30％的碳化硼制成的。本發(fā)明的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料的制備方法按如下步驟進行1.濕混，過篩；2.熱壓燒結(jié)；即得到硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料。本發(fā)明的硼化物-碳化硅-碳化硼三元陶瓷基復(fù)合材料的抗彎強度最高能達到890MPa，斷裂韌性值最高可達到7.1MPa/m²。
文檔編號C04B35/622GK101265108SQ20081006431
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者孟松鶴, 張幸紅, 凌 翁, 韓文波, 韓杰才 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)