專利名稱：添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域，具體涉及一種添加稀土氧化物(RE2O3)的硼化鋯-碳化硅(ZrB2-SiC)復(fù)相陶瓷材料及其制備方法，具體的說是主要以鑭系族稀土氧化物RE2O3 (RE為鑭、鈰、鐠、釹、銪、鏑、鐿、镥)為添加劑，采用熱壓燒結(jié)在相對低的溫度下獲得致密的ZrB2-SiC復(fù)相陶瓷，材料的相對密度大于99%，力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能和抗氧化燒蝕性能良好。
背景技術(shù)：
高超聲速飛行器運(yùn)行的極端環(huán)境具有超高溫(1800°C以上)、高腐蝕性氣氛(比如氧原子、等離子)和高氣流沖刷等特征。以碳化硅或者氮化硅等為基的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料已難以滿足設(shè)計(jì)需求，而過渡金屬的硼化物和碳化物超高溫陶瓷具有高溫強(qiáng)度、高溫抗氧化燒蝕性、抗熱震性等優(yōu)異高溫性能，將在高超音速飛機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用(W. G.Fahrenholtzj G. E. Hilmasj A. L Chamberlain and J. W. Zimmermannj “Processingand characterization of ZrB2_based ultra-high temperature monolithic andfibrous monolithic ceramics，，，J. Mater. Sci.，39(2004) 5951)。在過渡金屬硼化物和碳化物等超高溫陶瓷材料中，由于ZrB2具有優(yōu)良的力學(xué)性能、相對低的密度、高的熔點(diǎn)和良好的熱導(dǎo)率,成為了新型超高溫結(jié)構(gòu)材料的研究主體,但純ZrB2材料較差抗熱震性能和高溫抗氧化性限制了其應(yīng)用。人們經(jīng)過研究證實(shí)SiC的添加能顯著改善ZrB2陶瓷的高溫抗氧化性能和力學(xué)性能，因此ZrB2-SiC復(fù)相材料在超高溫陶瓷領(lǐng)域引起了人們很大的關(guān)注。由于ZrB2極強(qiáng)的共價(jià)鍵和較低的自擴(kuò)散系數(shù)，一般ZrB2-SiC需要通過熱壓燒結(jié)，并且在較高的溫度下(> 1900°C)才能實(shí)現(xiàn)材料的高致密化。添加金屬或者陶瓷助劑(Ni，Si3N4, WC, ZrN)可以降低的燒結(jié)溫度，提高材料的致密化，但對于材料的其它性能并沒有顯著提高，甚至還降低材料的性能，例如高溫抗氧化燒蝕性能。因此探尋即能夠促進(jìn)致密化又可以提高材料性能的新型添加劑對熱壓燒結(jié)ZrB2-SiC復(fù)相陶瓷是十分必要的。稀土氧化物RE203( RE為鑭、鋪、鐠、釹、銪、鏑、鐿、镥)是碳化娃或者氮化娃陶瓷常用的燒結(jié)助劑，不僅可以降低碳化硅或者氮化硅陶瓷的燒結(jié)溫度，促進(jìn)致密化，還可以提高其力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能和抗氧化性能(S. Tabata, Y. Hirata, S. Sameshima, N. Matsunagaand K. Ijichi, “Liquid Phase Sintering and Mechanical Properties of SiC withRare-Earth Oxide”，J. Ceram. Soc. Jpn., 114(2006)247)。所以本發(fā)明將稀土氧化物RE2O3作為ZrB2-SiC復(fù)相陶瓷中的新型添加劑，以期在促進(jìn)材料致密化的同時(shí)，提高材料的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能和抗氧化燒蝕性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料及其制備方法，通過添加稀土氧化物(RE2O3)在熱壓燒結(jié)的條件下制備性能優(yōu)良的ZrB2-SiC復(fù)相陶瓷，以稀土氧化物RE2O3作為添加劑可以在1700°C -1900°C的溫度下獲得致密的ZrB2-SiC陶瓷，材料的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能和抗氧化燒蝕性能良好。本發(fā)明提出的添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料，所述稀土氧化物為RE2O3，其中RE為鑭、鈰、鐠、釹、銪、鏑、鐿或镥中任一種，其純度不低于99%，ZrB2和SiC的純度不低于97%，基體中SiC的含量為10-30vol%, RE2O3的含量為O. 1_10νο1%，其余為ZrB2，其總體積滿足100%。本發(fā)明中，所述ZrB2的平均粒徑為14 μ m, SiC平均粒徑為O. 45 μ m, RE2O3的粒徑小于I μ m0本發(fā)明提出的一種如權(quán)利要求I所述的添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料的制備方法，具體步驟如下
將稀土氧化物、硼化鋯和碳化硅放入容器中，以丙酮為溶劑、以500-600轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速行星球磨8小時(shí)，所得漿料通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)烘干后得到混合均勻的粉料；將混合均勻的粉料放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，在氬氣氣氛中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1700-1900°C，熱壓的壓力為20-30MPa，即得復(fù)相陶瓷材料。本發(fā)明中，熱壓燒結(jié)開始時(shí)升溫速率為5-10°C /min，溫度升至1650°C時(shí)保溫lh，然后升溫速率為10-30°C /min，升溫至1700-1900°C，20_30MPa的壓力下熱壓燒結(jié)O. 5_3h。本發(fā)明中，所述復(fù)相陶瓷材料的相對密度大于99%，室溫彎曲強(qiáng)度在800_1000MPa之間，斷裂韌性在4. 5-6MPa · m1/2之間，維氏硬度在15_20GPa之間，導(dǎo)熱率在80-100W · (m · ΚΓ1 之間。本發(fā)明中，所述復(fù)相陶瓷材料具有優(yōu)良的抗氧化燒蝕性能，在2400°C下燒蝕10分鐘，線燒蝕率僅為O. 001mm/so本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
(1)原料價(jià)格便宜，制備工藝簡單，容易實(shí)現(xiàn)；
(2)在1700-1900°C即可燒結(jié)致密，材料的致密度高；
(3)稀土氧化物RE2O3添加可以凈化材料晶界，有利于提高材料的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能；RE203與ZrB2可以形成焦綠石結(jié)構(gòu),有利于改善材料的抗氧化燒蝕性能。


圖I為實(shí)施例I所得樣品的顯微形貌。圖2為實(shí)施例I得到樣品的斷面形貌。圖3為實(shí)施例I得到樣品的XRD圖譜。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
以2沖2粉(14“111，>97%)，SiC 粉(O. 45 μ m, >97%)和氧化鐿粉(Yb2O3, < I μ m，>99%)為原料，按照燒結(jié)助劑Yb2O3的體積含量在3%，SiC的體積含量在20%，ZrB2的體積含量在78%配料，以丙酮為溶劑、氮化硅球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，以560轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速行星球磨8小時(shí)，所得漿料通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)烘干后得到混合均勻的粉料。
將混合均勻的粉體放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，在進(jìn)行熱壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)開始時(shí)升溫速率為8 V /min，溫度升至1650° C時(shí)保溫lh，然后升溫速率為15°C /min,升溫至1900°C，30MPa的壓力下熱壓燒結(jié)lh，即可獲得相對密度接近100%的塊體材料。材料的顯微形貌如圖I所表示，斷面如圖2所表示，XRD圖譜如圖3所表示。實(shí)施例2
設(shè)計(jì)Yb2O3在基體中的體積含量為1%，，按照實(shí)施例I的方法制備材料，所得到樣品的相對密度大于99%。實(shí)施例3
設(shè)計(jì)Yb2O3在基體中的體積含量3%，按照實(shí)施例I的方法制備材料，改變燒結(jié)溫度為17000C，所得到樣品的相對密度為99%. 實(shí)施例4
設(shè)計(jì)Nd2O3在基體中的體積含量為10%，按照實(shí)施例I的方法制備材料，所得到樣品的相對密度接近100%。實(shí)施例5
Yb2O3的體積含量在1-8%之間，按照實(shí)施例I方法制備材料，所得到樣品的相對密度大于99%，材料的室溫彎曲強(qiáng)度在800-1000MPa之間，斷裂韌性在4. 5_6MPa *m1/2之間，維氏硬度在15-20GPa之間，導(dǎo)熱率在80-100W · (m· ΚΓ1之間。
權(quán)利要求
1.一種添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料，其特征在于所述稀土氧化物為RE2O3，其中RE為鑭、鈰、鐠、釹、銪、鏑、鐿或镥中任一種，其純度不低于99%，ZrBjP SiC的純度不低于97%，基體中SiC的含量為10-30vol%, RE2O3的含量為O. l_10vol%，其余為ZrB2，其總體積滿足100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料，其特征在于所述ZrB2的平均粒徑為14 μ m, SiC平均粒徑為O. 45 μ m, RE2O3的粒徑小于I μ m。
3.—種如權(quán)利要求I所述的添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下將稀土氧化物、硼化鋯和碳化硅放入容器中，以丙酮為溶劑、以500-600轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速行星球磨8小時(shí)，所得漿料通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)烘干后得到混合均勻的粉料；將混合均勻的粉料放在內(nèi)壁表面涂覆BN的石墨模具中，在氬氣氣氛中進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為 1700-1900°C，熱壓的壓力為20-30MPa，即得復(fù)相陶瓷材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于熱壓燒結(jié)開始時(shí)升溫速率為5-10°C/ min，溫度升至1650°C時(shí)保溫lh，然后升溫速率為10_30°C /min,升溫至1700-1900°C， 20-30MPa的壓力下熱壓燒結(jié)O. 5_3h。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料，其特征在于所述復(fù)相陶瓷材料的相對密度大于99%，室溫彎曲強(qiáng)度在SOO-IOOOMPa之間，斷裂韌性在4. 5-6MPa · m1/2之間，維氏硬度在15_20GPa之間，導(dǎo)熱率在80-100W · (m · K) 之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復(fù)相陶瓷材料，其特征在于所述復(fù)相陶瓷材料具有優(yōu)良的抗氧化燒蝕性能，在2400°C下燒蝕10分鐘，線燒蝕率僅為 O.001mm/so
全文摘要
本發(fā)明涉及一種添加稀土氧化物(RE2O3)的硼化鋯-碳化硅(ZrB2-SiC)復(fù)相陶瓷材料及其制備方法。本發(fā)明以純度不低于97%的ZrB2和SiC粉為原料，以純度不低于99%的RE2O3為添加劑，進(jìn)行配料，添加劑體積分?jǐn)?shù)為0.1-10vol%，獲得具有不同組分的材料。原料經(jīng)球磨烘干后，通過調(diào)節(jié)燒結(jié)工藝參數(shù)，在1700-1900℃之間熱壓燒結(jié)獲得ZrB2-SiC復(fù)相陶瓷。所制備的材料的相對密度大于99%，彎曲強(qiáng)度為800-1000MPa，斷裂韌性4.5-6MPa·m1/2，硬度15-20GPa，導(dǎo)熱率在80-100W·(m·K)-1，抗氧化燒蝕性能好。
文檔編號C04B35/58GK102976760SQ20121055574
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者郭偉明, 楊振國 申請人:復(fù)旦大學(xué)