專利名稱：一種碳球為添加劑的高韌性二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于非氧化物結構陶瓷領域，具體涉及一種碳球為添加劑的高韌性二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料及其制備方法。具體的說是以碳球為添加劑，采用熱壓燒結在1800-2000°C下獲得致密的ZrB2-SiC復相陶瓷，材料的相對密度大于98%，具有較高的斷裂韌性。
背景技術：
ZrB2以其優良的力學性能、相對低的密度、高的熔點和良好的熱導率，成為了新型高溫結構材料的研究主體。但純ZrB2材料具有較差的抗熱震性能和高溫抗氧化性。經過大量研究證實，SiC的添加能顯著改善ZrB2陶瓷的抗熱震性能和高溫抗氧化性能，因此ZrB2-SiC復相材料在超高溫陶瓷領域引起了人們很大的關注。由于極強的共價鍵和較低的自擴散系數，ZrB2-SiC具有難燒結的特性，一般ZrB2-SiC需要通過熱壓燒結，并且在較高的溫度下(2000°C )才能實現材料的高致密化。作為脆性材料，ZrB2-SiC陶瓷具有較低的斷裂韌性，一般為2.5-4 MPa.m1/2。為了改進ZrB2-SiC陶瓷的斷裂韌性，主要采取了兩種方法。第一種方法是引入纖維或者晶須作為增韌相，通過裂紋偏轉提高材料斷裂韌性。例如，引入SiC晶須作為第二相，ZrB2-SiC 陶瓷斷裂韌性達到了 5.7MPa.m1/2 (Stefano Guicciardi, Laura Silvestroni,Mats Nygren, Diletta Sciti, “Microstructure and Toughening Mechanisms in SparkPlasma-Sintered ZrB2 Cerami cs Reinforced by SiC Whiskers or SiC-Chopped Fibers，，，J.Am.Ceram.Soc.，93 (2010) 2384)。第二種方法是引入添加劑使ZrB2發育為各向異性晶粒，通過自增韌提高材料斷裂韌性。例如，通過引入WC為添加劑使ZrB2發育為板晶，材料的斷裂韌性高達 6.5MPa.m1/2 (Ji Zou, Guo-Jun Zhang, Yan-Mei Kan, “Formationof tough interlocking microstructure in ZrB2-SiC-basedultrahigh_temperatureceramics by pressureless sintering” , J.Mater.Res., 24 (2009) 2428)。以上兩種方法主要都是利用具有一定長徑比的某一相發揮裂紋偏轉的增韌效果。然而，為了發育成一定的長徑比，就需要晶粒具有較大的尺寸，例如，SiC晶須長度為5-15Mm，板晶ZrB2的長度為10-30Mm。然而，ZrB2-SiC陶瓷材料的強度主要由材料中最大的晶粒尺寸所決定，晶粒尺寸越大，材料強度越低。以上兩種方法在增韌的同時，犧牲了材料的強度。因此，探尋即能提高材料斷裂韌性同時又不犧牲強度的新型增韌方法，對熱壓燒結ZrB2-SiC復相陶瓷是十分必要的。

發明內容
本發明的目的在于提出一種碳球為添加劑的高韌性二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷及其制備方法。本發明提出的一種碳球為添加劑的高韌性二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料，基體中SiC含量為10-30vol%，碳球含量為l_10vol%，其余為ZrB2，其總體積滿足100%。本發明中，以純度不低于97%的ZrB2和SiC粉為原料，以純度不低于99%的碳球為添加劑，ZrB2的平均粒徑為1.5 μ m，SiC平均粒徑為0.45 μ m,碳球的粒徑小于0.5 μ m。本發明提出的一種碳球為添加劑的高韌性二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料的制備方法，具體步驟如下:
將碳球、二硼化鋯和碳化硅放入容器中，以丙酮為溶劑，在輥式混料機上混料22_26h，所得漿料通過旋轉蒸發烘干后得到混合均勻的粉料；將混合均勻的粉料放在內壁表面涂覆BN(不粘煤)的石墨模具中，在氬氣氣氛中進行熱壓燒結，燒結溫度為1800-2000°C，熱壓的壓力為20-30MPa，即得復相陶瓷材料。本發明中，熱壓燒結開始時升溫速率為5-10°C /min，溫度升至1650°C時保溫lh，然后升溫速率為10-30°C /min，升溫至1800-2000°C，20_30MPa的壓力下熱壓燒結0.5_3h。本發明中，所述復相陶瓷材料的相對密度大于98%，碳球在晶界上形成弱的碳界面來改善材料韌性，斷裂韌性高達5-7MPa.m1/2。本發明的優點是:
(I)原料價格便宜，制備工藝簡單，容易實現。(2)在1800-2000°c即可燒結致密，材料的致密度高。(3)圓形碳球在晶界上形成薄的弱碳界面層，顯著改善了材料的斷裂韌性。



圖1是施例I制得的二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料斷面的SEM照片；
圖2是實施例1制得的二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料的裂紋偏轉的SEM照片。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明做進一步詳細、完整地說明，但決非限制本發明，本發明也并非僅局限于下述實施例的內容。實施例1
以 2池2粉(1.5μπι，>98%)，SiC 粉(0.45 μ m, >97%)和碳球(< 0.5 μ m, >99%)為原料，按照燒碳球體積含量在5%，SiC的體積含量在20%，ZrB2的體積含量在75%配料，以乙醇為溶劑、Si3N4球為球磨介質，在輥式球磨機上混合24小時，所得漿料通過旋轉蒸發烘干后得到混合均勻的粉料。將混合均勻的粉體放在內壁表面涂覆BN的石墨模具中，在進行熱壓燒結，熱壓燒結開始時升溫速率為10°C /min，溫度升至1650° C時保溫lh，然后升溫速率為15°C /min,升溫至2000°C，30MPa的壓力下熱壓燒結lh，即可獲得相對密度接近100%的塊體材料，斷裂韌性高達6.5MPa.m1/2。圖1為本實施例所制備的二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料斷面的SEM照片，由圖1可見:材料包含淺灰色二硼化鋯相、深灰色碳化硅相和黑色碳相，熱壓燒結后圓形碳球轉變為晶界上的層狀碳界面。圖2為斷裂韌性測試時形成的裂紋偏轉情況，由圖2可見:裂紋走向曲折，沿著晶界偏轉，因而導致材料具有高的斷裂韌性。
實施例2
設計碳球在基體中的體積含量為1%，按照實施例1的方法制備材料，所得到樣品的相對密度為98%，斷裂韌性為5MPa.m1/2。實施例3
設計碳球在基體中的體積含量為5%，按照實施例1的方法制備材料，改變燒結溫度為1900°C，所得到樣品的相對密度為99%，斷裂韌性為6MPa.m1/2。實施例4
設計碳球在基體中的體積含量為10%，按照實施例1的方法制備材料，所得到樣品的相對密度大于99%，斷裂韌性為7MPa.m1/2。實施例5 碳球的體積含量在1% — 10%之間，按照實施例1方法制備材料，所得到樣品的相對密度均大于98%，斷裂韌性在5-7MPa.m1/2之間。
權利要求
1.一種碳球為添加劑的高韌性二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料，其特征在于:基體中SiC含量為10-30vol%，碳球含量為l_10vol%，其余為ZrB2，其總體積滿足100%。
2.根據權利要求1所述的一種碳球為添加劑的高韌性二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料，其特征在于:以純度不低于97%的ZrB2和SiC粉為原料，以純度不低于99%的碳球為添加劑，ZrB2的平均粒徑為1.5 μ m，SiC平均粒徑為0.45 μ m,碳球的粒徑小于0.5 μ m。
3.—種如權利要求1所述的一種碳球為添加劑的高韌性二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下: 將碳球、二硼化鋯和碳化硅放入容器中，以丙酮為溶劑，在輥式混料機上混料22-26h，所得漿料通過旋轉蒸發烘干后得到混合均勻的粉料；將混合均勻的粉料放在內壁表面涂覆不粘煤的石墨模具中，在氬氣氣氛中進行熱壓燒結，燒結溫度為1800-2000°C，熱壓的壓力為20-30MPa，即得復相陶瓷材料。
4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于熱壓燒結開始時升溫速率為5-10°C/min，溫度升至1650°C時保溫lh，然后升溫速率為10_30°C /min，升溫至1800-2000°C，20-30MPa的壓力下熱壓燒結0.5_3h。
5.根據權利要求1所述的一種碳球為添加劑的高韌性二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料，其特征在于:所述復相陶瓷材料的相對密度大于98%，圓形碳球在材料的晶界上形成薄的弱碳界面層，斷裂韌性高達5-7MPa.m1/20
全文摘要
本發明屬于結構陶瓷制備領域，具體涉及一種碳球為添加劑的高韌性二硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料及其制備方法。本發明以純度不低于97%的ZrB2和SiC粉為原料，以純度不低于98%的碳球為添加劑，添加劑體積分數為1vol%-10vol%，原料經混料烘干后，通過調節燒結工藝參數，在1800-2000℃之間熱壓燒結獲得高韌性ZrB2-SiC復相陶瓷材料。所制備的材料的相對密度大于98%，通過熱壓燒結后圓形碳球在材料晶界上形成弱碳界面層來顯著改善材料的韌性，斷裂韌性高達5-7MPa·m1/2。
文檔編號C04B35/63GK103073299SQ20131000326
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月6日 優先權日2013年1月6日
發明者楊振國, 郭偉明, 張國軍 申請人:復旦大學