專利名稱：一種ZrB₂基超高溫陶瓷納米復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及材料領域，尤其涉及一種ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料及其制備方法。
背景技術：
高超聲速飛行器、可重復使用的宇航飛行器，尤其它們的關鍵部位(鼻錐體、翼前緣等)的工作環境要求極其苛刻，如馬赫數為6的高超聲速飛行器殼體材料在飛行過程中需承受1400°C高溫，而在重返大氣層時關鍵部位鼻錐體、翼前緣等的溫度高達165(T2000°C，同時還要承受原子氧及原子氮混合氣氛高溫氧化侵蝕、微粒或碎片高速撞擊等諸多極端條 件的綜合作用，因此對使用材料提出了很高的要求。超高溫陶瓷(UHTCs)由于在高溫環境中具有優異的力學及化學穩定性，而成為未來高超聲速飛行和可重復使用宇航飛行器領域最具前途的候選材料之一。其中ZrB2-SiC復合材料是一種重要的超高溫陶瓷復合材料，單相ZrB2由于斷裂韌性(一般2. 3^3. 5MPa m1/2)和抗彎強度(一般35(T500MPa)較低，并且高溫抗氧化性能不足(90(Tll0(rC開始氧化)，導致其無法滿足高溫環境的使用要求。彌散分布的SiC顆粒的加入可以顯著提高ZrB2陶瓷基體的抗氧化性能，同時可抑制基體顆粒長大從而有效提高材料的抗彎強度。目前，結構陶瓷的強韌化設計已由以往單一的纖維增韌、晶須增韌、納米管增韌、相變增韌、顆粒彌散強化等方式發展為多種方式的協同強韌化。因而應從材料設計的角度選擇性能優異的第三添加相對ZrB2-SiC超高溫陶瓷進行更加有效的強韌化設計。目前陶瓷基復合材料中應用較多的是通過碳納米管(CNTs)進行強韌化，但是CNTs高溫環境中易氧化，使其應用范圍受到局限。同CNTs相比，具有相似結構和性質的氮化硼納米管(BNNTs)，除了具有優異的力學性能外，其導熱系數約為eOOWm-iK—1，遠遠高于ZrB2-SiC復合材料的導熱系數(S(THOWnr1IT1)tj因此，BNNTs的加入可提高復合材料的導熱系數，從而降低高溫下材料內部溫度梯度以減小由此產生的熱應力，使復合材料的抗熱沖擊性能得到提高。更為重要的是，BNNTs比CNTs具有更為優異的抗高溫氧化能力CNTs在40(T50(TC的空氣環境中即開始氧化，而BNNTs在900°C的空氣環境中仍可保持穩定。這無疑為ZrB2-SiC超高溫材料采用高溫制備工藝并確保其高溫服役性能提供了更好的保證。超高溫陶瓷復合材料由于高熔點、共價鍵/離子鍵鍵合等特點，其制備工藝多采用傳統的熱壓燒結工藝，存在燒結周期長、成本高、長時高溫燒結易引起晶粒粗化而導致力學性能下降等缺點。快速燒結方法如專利申請公開號為CN101948314A，該專利申請公布了采用爆炸燒結法制得圓柱狀ZrB2-SiCnm超高溫陶瓷復合材料燒結體的方法，其燒結能量源于電雷管引爆無縫鋼管頂端炸藥，將封裝于無縫鋼管中的原材料粉體進行爆炸壓實，但該方法工藝參數不易調控，過程安全性也難以保障。綜上所述，針對ZrB2-SiC超高溫陶瓷復合材料設計及其制備的現有技術中所存在的不足，如采用CNTs強韌化，但CNTs抗高溫氧化性能不足，制備方法上傳統的熱壓燒結技術存在燒結周期長、成本高、長時高溫燒結易導致材料晶粒粗大而使力學性能下降等。
因此，針對上述技術問題，有必要提供一種新的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料及其制備方法，以克服上述缺陷。

發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料及其制備方法，以滿足高超聲速飛行器、可重復使用的宇航飛行器關鍵部位(鼻錐體、翼前緣等)對其使用材料的高性能要求。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案—種ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料,其原材料組分包括納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁氮化硼納米管(BNNTs)。優選的，在上述ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料中，所述ZrB2 :SiC體積比為4:1。
優選的，在上述ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料中，所述多壁BNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的 O. 5 3. 0%。一種ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法，該制備方法包括如下步驟A.分別稱取適量納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁BNNTs ；B.將稱量好的納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁BNNTs分別進行超聲分散；C.將步驟B中超聲分散后的多壁BNNTs、納米ZrB2顆粒和納米SiC顆粒進行球磨，球磨后干燥處理制得納米復合粉體；D.將步驟C中制得的納米復合粉體進行放電等離子燒結而得到BNNT/ (ZrB2-SiC)超高溫陶瓷納米復合材料。優選的，在上述ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法中，所述步驟A中ZrB2 :SiC體積比為4:1。優選的，在上述ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法中，所述步驟A中BNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的O. 5 3. 0%。優選的，在上述ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法中，所述步驟B中超聲分散是在無水乙醇中進行。優選的，在上述ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法中，所述步驟C中球磨是將超聲分散后的多壁BNNTs、納米ZrB2顆粒和納米SiC顆粒一并裝入球磨罐中加無水乙醇進行的，其中球料比為5:1。優選的，在上述ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法中，所述步驟D具體包括Dl.稱取適量納米復合粉體并裝入一石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙；D2.以一定壓強的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓一段時間；D3.將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中進行放電等離子燒結而得到BNNT/ (ZrB2-SiC)超高溫陶瓷納米復合材料。優選的，在上述ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法中，所述步驟D3具體為將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加18 20MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以10(Tl50°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至145(Tl550°C保溫6 lOmin，隨爐冷卻后得到BNNT/(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。從上述技術方案可以看出，本發明實施例的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料設計合理，本發明實施例的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法工藝操作簡單、效率高、安全性好。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。以下描述中的有關本發明的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本發明ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法的工藝流程圖； 圖2是本發明一放大倍數下BNNTs含量為O. 5%的BNNT/ (ZrB2-SiC)塊體材料斷口 SEM 圖；圖3是本發明另一放大倍數下BNNTs含量為O. 5%的BNNT/ (ZrB2-SiC)塊體材料斷口 SEM圖。
具體實施例方式本發明公開了一種ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料及其制備方法，即通過放電等離子燒結方法制備BNNT/(ZrB2-SiC)高性能超高溫陶瓷納米復合材料，以滿足高超聲速飛行器、可重復使用的宇航飛行器關鍵部位(鼻錐體、翼前緣等)對其使用材料的高性能要求。本發明材料設計合理、工藝操作簡單、效率高、安全性好。該ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料,其原材料組分包括納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁氮化硼納米管(BNNTs)。進一步的，所述ZrB2 SiC體積比為4: I。進一步的，所述多壁BNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的O. 5^3. 0%。該ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法，該制備方法包括如下步驟A.分別稱取適量納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁BNNTs ；B.將稱量好的納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁BNNTs分別進行超聲分散；C.將步驟B中超聲分散后的多壁BNNTs、納米ZrB2顆粒和納米SiC顆粒進行球磨，球磨后干燥處理制得納米復合粉體；D.將步驟C中制得的納米復合粉體進行放電等離子燒結而得到BNNT/ (ZrB2-SiC)超高溫陶瓷納米復合材料。進一步的，所述步驟A中ZrB2 :SiC體積比為4:1。進一步的，所述步驟A中BNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的O. 5^3. 0%。進一步的，所述步驟B中超聲分散是在無水乙醇中進行。進一步的，所述步驟C中球磨是將超聲分散后的多壁BNNTs、納米ZrB2顆粒和納米 SiC顆粒一并裝入球磨罐中加無水乙醇進行的，其中球料比為5:1。進一步的,所述步驟D具體包括
Dl.稱取適量納米復合粉體并裝入一石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙；D2.以一定壓強的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓一段時間；D3.將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中進行放電等離子燒結而得到BNNT/ (ZrB2-SiC)超高溫陶瓷納米復合材料。進一步的，所述步驟D3具體為將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加18 20MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以10(Tl50°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至145(Tl550°C保溫6 lOmin，隨爐冷卻后得到BNNT/(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細的描 述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。本發明揭示的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料,其原材料組分包括納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁BNNTs，其中，所述ZrB2 =SiC體積比為4:1，所述BNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的 O. 5 3. 0%。如圖I所示，本發明揭示的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法，即BNNT/(ZrB2-SiC)超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法是通過以下技術方案實現的，步驟包括(I) BNNTs-ZrB2-SiC納米復合粉體的制備S101.稱取原材料用分析天平分別稱取適量納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁BNNTs。其中ZrB2 SiC體積比為4:1，BNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的O. 5 3. 0% ；S102.超聲分散將稱量好的納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和BNNTs分別在無水乙醇中超聲分散30min ；S103.球磨將步驟B中分散后的BNNTs、納米ZrB2顆粒和納米SiC顆粒一并裝入行星式球磨罐中加無水乙醇進行球磨。其中球料比為5:1,轉速為300r/min,球磨時間為12h ；S104.干燥于120°C干燥180min制得納米復合粉體；(2) BNNT/(ZrB2-SiC)超高溫陶瓷納米復合材料的放電等離子燒結S105.稱取粉體裝入石墨模具稱取適量納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙；S106.模具內預壓以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ；S107.放電等離子燒結將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加18 20MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以10(Tl50°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至145(Tl550°C保溫6 lOmin，隨爐冷卻后得到BNNT/(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。本發明選用BNNIV(ZrB2-SiC)超高溫陶瓷納米復合材料作為材料體系，將納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁BNNTs作為原材料，充分球磨混合后干燥制得納米復合粉體；將納米復合粉體進行放電等離子燒結，制得BNNT/(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料，然后對塊體材料進行硬度、致密度、斷裂韌性、三點抗彎強度等力學性能測試以及顯微組織分析。通過BNNIV(ZrB2-SiC)超高溫陶瓷納米復合材料設計，即引入高彈性模量、高強度的BNNTs均勻分散于基體材料中。管壁結構BNNTs材料的加入，材料在斷裂過程中，一旦裂紋尖端遭遇高強度的BNNTs，其擴展方向極易發生偏轉、分叉，以及BNNTs的拔出、裂紋橋聯等，這些均會消耗大量的斷裂能，再加上復合材料中彌散分布的納米SiC顆粒可以與BNNTs產生協同強韌化效果，從而使得材料的斷裂韌性和強度得以改善，同時又可以充分發揮BNNTs的高導熱系數以及其在高溫抗氧化方面的優勢。下面將結合具體的實施例來進一步說明本發明的技術方案實施例1
按照ZrB2 =SiC體積比為4: UBNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的O. 5%分別稱取適量原材料，分別在無水乙醇中超聲分散30min ;然后一并裝入行星式球磨罐中進行球磨，其中球料比為5:1，轉速為300r/min，球磨時間為12h ;充分球磨混合后，于120°C干燥180min制得納米復合粉體；稱取適量上述納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙，以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ;將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加18MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以150°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至1450°C保溫lOmin，隨爐冷卻后得到BNNIV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。實施例2按照ZrB2 =SiC體積比為4: UBNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的O. 5%分別稱取適量原材料，分別在無水乙醇中超聲分散30min ;然后一并裝入行星式球磨罐中進行球磨，其中球料比為5:1，轉速為300r/min，球磨時間為12h ;充分球磨混合后，于120°C干燥180min制得納米復合粉體；稱取適量上述納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙，以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ;將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加18MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以150°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至1500°C保溫8min，隨爐冷卻后得到BNNIV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。實施例3 按照ZrB2 =SiC體積比為4: UBNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的O. 5%分別稱取適量原材料，分別在無水乙醇中超聲分散30min ;然后一并裝入行星式球磨罐中進行球磨，其中球料比為5:1，轉速為300r/min，球磨時間為12h ;充分球磨混合后，于120°C干燥180min制得納米復合粉體；稱取適量上述納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙，以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ;將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加18MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以100°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至1550°C保溫6min，隨爐冷卻后得到BNNIV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。實施例4按照ZrB2 =SiC體積比為4: l、BNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的I. 0%分別稱取適量原材料，分別在無水乙醇中超聲分散30min ;然后一并裝入行星式球磨罐中進行球磨，其中球料比為5:1，轉速為300r/min，球磨時間為12h ;充分球磨混合后，于120°C干燥180min制得納米復合粉體；稱取適量上述納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙，以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ;將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加18MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以150°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至1450°C保溫lOmin，隨爐冷卻后得到BNNIV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。
實施例5按照ZrB2 =SiC體積比為4: l、BNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的I. 0%分別稱取適量原材料，分別在無水乙醇中超聲分散30min ;然后一并裝入行星式球磨罐中進行球磨，其中球料比為5:1，轉速為300r/min，球磨時間為12h ;充分球磨混合后，于120°C干燥180min制得納米復合粉體；稱取適量上述納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙，以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ;將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加18MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以150°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至1500°C保溫8min，隨爐冷卻后得到BNNIV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。實施例6按照ZrB2 =SiC體積比為4: l、BNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的I. 0%分別稱取適量原材料，分別在無水乙醇中超聲分散30min ;然后一并裝入行星式球磨罐中進行球磨，其中球料比為5:1，轉速為300r/min，球磨時間為12h ;充分球磨混合后，于120°C干燥180min制得納米復合粉體；稱取適量上述納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙，以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ;將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加18MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以100°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至1550°C保溫6min，隨爐冷卻后得到BNNIV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。實施例7按照ZrB2 =SiC體積比為4: UBNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的2. 0%分別稱取適量原材料，分別在無水乙醇中超聲分散30min ;然后一并裝入行星式球磨罐中進行球磨，其中球料比為5:1，轉速為300r/min，球磨時間為12h ;充分球磨混合后，于120°C干燥180min制得納米復合粉體；稱取適量上述納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙，以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ;將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加20MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以150°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至1450°C保溫lOmin，隨爐冷卻后得到BNNIV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。實施例8 按照ZrB2 =SiC體積比為4: UBNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的2. 0%分別稱取適量原材料，分別在無水乙醇中超聲分散30min ;然后一并裝入行星式球磨罐中進行球磨，其中球料比為5:1，轉速為300r/min，球磨時間為12h ;充分球磨混合后，于120°C干燥180min制得納米復合粉體；稱取適量上述納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙，以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ;將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加20MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以150°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至1500°C保溫8min，隨爐冷卻后得到BNNIV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。實施例9按照ZrB2 =SiC體積比為4: UBNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的2. 0%分別稱取適量原材料，分別在無水乙醇中超聲分散30min ;然后一并裝入行星式球磨罐中進行球磨，其中球料比為5:1，轉速為300r/min，球磨時間為12h ;充分球磨混合后，于120°C干燥180min制得納米復合粉體；稱取適量上述納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙，以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ;將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加20MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以100°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至1550°C保溫6min，隨爐冷卻后得到BNNIV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶 瓷納米復合材料。實施例10按照ZrB2 =SiC體積比為4: UBNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的3. 0%分別稱取適量原材料，分別在無水乙醇中超聲分散30min ;然后一并裝入行星式球磨罐中進行球磨，其中球料比為5:1，轉速為300r/min，球磨時間為12h ;充分球磨混合后，于120°C干燥180min制得納米復合粉體；稱取適量上述納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙，以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ;將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加20MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以150°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至1450°C保溫lOmin，隨爐冷卻后得到BNNIV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。實施例11按照ZrB2 =SiC體積比為4: UBNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的3. 0%分別稱取適量原材料，分別在無水乙醇中超聲分散30min ;然后一并裝入行星式球磨罐中進行球磨，其中球料比為5:1，轉速為300r/min，球磨時間為12h ;充分球磨混合后，于120°C干燥180min制得納米復合粉體；稱取適量上述納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙，以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ;將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加20MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以150°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至1500°C保溫8min，隨爐冷卻后得到BNNIV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。實施例12按照ZrB2 =SiC體積比為4: UBNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的3. 0%分別稱取適量原材料，分別在無水乙醇中超聲分散30min ;然后一并裝入行星式球磨罐中進行球磨，其中球料比為5:1，轉速為300r/min，球磨時間為12h ;充分球磨混合后，于120°C干燥180min制得納米復合粉體；稱取適量上述納米復合粉體裝入內徑為25mm的石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙，以15MPa的軸向壓力對納米復合粉體進行預壓，保壓IOmin ;將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加20MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以100°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓力加至40MPa，然后升溫至1550°C保溫6min，隨爐冷卻后得到BNNIV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。如圖2及圖3所示，圖2及圖3顯示了不同放大倍數下BNNTs含量為O. 5%的BNNT/(ZrB2-SiC)塊體材料斷口 SEM圖。將本發明實施例中所得到的強韌化BNNT/(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料制樣進行微觀結構和力學性能測試。采用冷場發射掃描電子顯微鏡進行微觀結構分析，材料燒結致密(測得致密度達97. 6^99. 1%)，斷裂面上可觀察到均勻分布的BNNTs。力學性能測試結果硬度為18. Γ19. 3GPa，彈性模量為471 539GPa，斷裂韌性為5. 6 6. 9MPam1/2，抗彎強度為627 721MPa，高于現有的ZrB2-SiC復合材料的斷裂韌性5. 4MPa m1/2，抗彎強度 618. IMPa0 本發明實施例的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料設計合理，本發明實施例的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的 制備方法工藝操作簡單、效率高、安全性好。對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
權利要求
1.ー種ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料，其特征在于其原材料組分包括納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁氮化硼納米管(BNNTs)。
2.根據權利要求I所述的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料，其特征在于所述ZrB2SiC體積比為4:1。
3.根據權利要求I所述的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料，其特征在于所述多壁BNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的0. 5 3. 0%。
4.一種權利要求I所述的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法，其特征在于該制備方法包括如下步驟 A.分別稱取適量納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁BNNTs； B.將稱量好的納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁BNNTs分別進行超聲分散； C.將步驟B中超聲分散后的多壁BNNTs、納米ZrB2顆粒和納米SiC顆粒進行球磨，球磨后干燥處理制得納米復合粉體； D.將步驟C中制得的納米復合粉體進行放電等離子燒結而得到BNNT/(ZrB2-SiC)超高溫陶瓷納米復合材料。
5.根據權利要求4所述的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法，其特征在于所述步驟A中ZrB2 =SiC體積比為4:1。
6.根據權利要求4所述的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法，其特征在于所述步驟A中BNNTs重量百分比為(ZrB2-SiC)的0. 5^3. 0%。
7.根據權利要求4所述的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法，其特征在于所述步驟B中超聲分散是在無水こ醇中進行。
8.根據權利要求4所述的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法，其特征在于所述步驟C中球磨是將超聲分散后的多壁BNNTs、納米ZrB2顆粒和納米SiC顆粒ー并裝入球磨罐中加無水乙醇進行的，其中球料比為5:1。
9.根據權利要求4所述的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法，其特征在于所述步驟D具體包括 Dl.稱取適量納米復合粉體并裝入一石墨模具中，粉體周圍及上下表面包襯石墨紙； D2.以一定壓強的軸向壓カ對納米復合粉體進行預壓，保壓一段時間； D3.將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中進行放電等離子燒結而得到BNNT/(ZrB2-SiC)超高溫陶瓷納米復合材料。
10.根據權利要求9所述的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法，其特征在于所述步驟D3具體為將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加18 20MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以10(Tl50°C /min的升溫速度，升溫至1350°C時軸向壓カ加至40MPa，然后升溫至145(Tl550°C保溫6 lOmin，隨爐冷卻后得到BNNlV(ZrB2-SiC)塊體超高溫陶瓷納米復合材料。
全文摘要
一種ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料及其制備方法，該復合材料的組分包括納米ZrB2顆粒、納米SiC顆粒和多壁氮化硼納米管(BNNTs)。該制備方法包括步驟稱取不同混合比例的原材料并進行超聲分散30min；然后進行球磨；充分球磨混合后干燥制得納米復合粉體；稱取適量納米復合粉體裝入石墨模具中，對其進行預壓，保壓10min；將經預壓的模具放入放電等離子燒結設備中，施加18~20MPa軸向預壓力，抽真空至5Pa，以100~150℃/min的升溫速度，升溫至1350℃時軸向壓力加至40MPa，然后繼續升溫至1450~1550℃并保溫6~10min，隨爐冷卻得到BNNT/(ZrB2-SiC)超高溫陶瓷納米復合材料。本發明實施例的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料設計合理，本發明實施例的ZrB2基超高溫陶瓷納米復合材料的制備方法工藝操作簡單、效率高、安全性好。
文檔編號C04B35/58GK102659412SQ201210170609
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月29日 優先權日2012年5月29日
發明者劉衛衛, 岳春光, 張律, 朱剛賢, 陳瑤 申請人:蘇州大學