專利名稱：硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，屬于多孔陶瓷的制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硼化鋯陶瓷具有優(yōu)越的耐高溫和耐腐蝕性能及相對較低的理論密度，因此一直被認為是超高溫陶瓷(UHTCs)家族中最有應(yīng)用前景的材料之一。目前，硼化鋯陶瓷已廣泛用作各種高溫結(jié)構(gòu)及功能材料，如航空工業(yè)中的渦輪葉片、磁流體發(fā)電電極等。但硼化鋯陶瓷斷裂韌性較低，韌值僅為4 5MPa · m1/2,限制了其在苛刻作業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用，如超聲速飛行器鼻錐和前沿、超燃沖壓發(fā)動機熱端部件等。因此，為了保證使用過程中的可靠性和安全性，必須改善硼化鋯陶瓷的脆性問題，從而提高其耐熱沖擊性能。目前已有關(guān)于制備超高溫硼化鋯陶瓷的報道，如專利號為CN101602597A的“硼化鋯-碳化硅-碳黑三元高韌化超高溫陶瓷基復合材料及其制備方法”強度為132. 03 695. 54MPa,斷裂韌性為2. 01 6. 57MPa · m1/2 ；專利號為CN101250061B的“氧化鋯增韌硼化物超高溫陶瓷基復合材料的制備方法”斷裂韌性達到6. 0 6. SMPa · m"2，但斷裂韌性仍有待進一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有硼化鋯超高溫陶瓷韌性差的問題，而提供一種硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法。其技術(shù)方案為一種硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，其特征在于采用以下步驟1)采用流延法分別制備硼化鋯流延片與石墨流延片先將粘結(jié)劑和增塑劑加入溶劑中攪拌均勻，再分別加入硼化鋯陶瓷粉料和石墨陶瓷粉料、攪拌均勻，形成流延料，然后流延成型，室溫干燥脫模后分別得到200 1000 μ m厚的硼化鋯流延片和20 100 μ m 厚的石墨流延片；2)對硼化鋯流延片和石墨流延片依照模具大小分別切片；3)將硼化鋯片和石墨片交替疊加放入石墨磨具中，真空脫脂，脫脂時，升溫速度為 2 3°C /min,升溫至600 700°C，保溫0. 5 Ih ；4)在氬氣氣氛下熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1900 2000°C，保溫0.5 2h，壓力為 20 40MPa，即得層狀超高溫陶瓷。所述的硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，步驟1)中，硼化鋯陶瓷粉料由硼化鋯粉末和碳化硅粉末按體積百分比70 90% 10 30%混合而成，硼化鋯粉末的粒徑為1 5 μ m，碳化硅粉末的粒徑為0. 5 2 μ m。所述的硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，步驟1)中，以硼化鋯陶瓷粉料重量為基礎(chǔ)計算，按重量百分比稱取粘結(jié)劑5 15%、增塑劑5 15%和溶劑 100 200%。
所述的硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，步驟1)中，石墨陶瓷粉料由石墨粉末和硼化鋯粉末按體積百分比80 100% 0 20%混合而成。所述的硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，以石墨陶瓷粉料重量為基礎(chǔ)計算，按重量百分比稱取粘結(jié)劑10 20%、增塑劑10 20%和溶劑500 1000%。所述的硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，粘結(jié)劑采用聚乙烯醇縮丁醛；增塑劑采用聚乙二醇和聚乙烯醇中的一種或兩種的混合；溶劑采用乙醇。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點1、在本發(fā)明制得的層狀超高溫陶瓷中，硼化鋯-碳化硅層為硬層，石墨層為軟層， 這樣當超高溫陶瓷在受到外力、裂紋擴展至軟層時，便轉(zhuǎn)向平行層片方向擴展，并通過軟層繼續(xù)傳遞載荷，待載荷增大時，裂紋才又轉(zhuǎn)向垂直層片方向擴展并穿過下一層，這樣，裂紋在穿過硬層后就發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增加了裂紋的擴展路徑，從而提高了材料的斷裂韌性，斷裂韌性高達 11. 3MPa · m1/2 ；2、通過控制溶劑的量可以控制硼化鋯流延片和石墨流延片的厚度，通過調(diào)節(jié)硬層和軟層的層厚比，可調(diào)節(jié)層狀超高溫陶瓷的力學性能；3、硼化鋯流延片和石墨流延片的質(zhì)量可控，可通過調(diào)節(jié)硼化鋯、碳化硅和石墨的質(zhì)量比，達到對層狀超高溫陶瓷組成成分的精確控制；4、本方法獲得的層狀超高溫陶瓷層薄，硼化鋯層厚可達50 μ m，石墨層可達 10 μ m ；5、由于石墨具有可導電性，有利于線切割加工，使得制備出的層狀超高溫陶瓷可加工性強；6、石墨粉末在熱壓過程中，有擇優(yōu)取向，片層垂直于熱壓方向，在受壓過程中有利于裂紋偏轉(zhuǎn)。7、采用熱壓燒結(jié)工藝，制備的層狀超高溫陶瓷致密性高。


圖1是本發(fā)明實施例2所得層狀超高溫陶瓷的SEM照片；圖2是本發(fā)明實施例2所得層狀超高溫陶瓷斷裂韌性測試后的SEM照片。
具體實施例方式實施例11、制備硼化鋯流延片與石墨流延片(1)硼化鋯流延料的制備，先稱量2. 61克聚乙烯醇縮丁醛、2. 61克聚乙二醇、52. 23克乙醇，攪拌均勻，再加入42. 63克1 μ m的硼化鋯粉末和9. 60克0. 5μπι的碳化硅粉末，攪拌均勻，形成硼化鋯流延料，其中硼化鋯粉末和碳化硅粉末是按照70% 30%的體積百分比稱取；( 石墨流延料的制備，先稱量 3. 06克聚乙烯醇縮丁醛、3. 06克聚乙二醇、152. 9乙醇，攪拌均勻，再加入18. 40克石墨粉末和12. 18克硼化鋯粉末，攪拌均勻，形成石墨流延料，其中石墨粉末和硼化鋯粉末是按照 80% 20%的體積百分比稱取；C3)流延成型，分別將硼化鋯流延料和石墨流延料流延，室溫干燥脫模后得到1000 μ m厚的硼化鋯流延片和100 μ m厚的石墨流延片；2、對硼化鋯流延片和石墨流延片依照模具大小分別切片；
3、將硼化鋯片和石墨片交替疊加放入石墨磨具中，真空脫脂，脫脂時，升溫速度為 20C /min,升溫至 7000C，保溫 0. 5h ；4、然后采用氬氣氣氛熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1900°C，保溫池，壓力為20MPa，即制得層狀超高溫陶瓷。實施例21、制備硼化鋯流延片與石墨流延片(1)硼化鋯流延料的制備，先稱量5. 51克聚乙烯醇縮丁醛、5. 51克聚乙二醇、82. 68克乙醇，攪拌均勻，再加入48. 72克2 μ m的硼化鋯粉末和6. 40克1 μ m的碳化硅粉末，攪拌均勻，形成硼化鋯流延料，其中硼化鋯粉末和碳化硅粉末是按照80% 20%的體積百分比稱取；( 石墨流延料的制備，先稱量4. 02 克聚乙烯醇縮丁醛、4. 02克聚乙二醇、187. 53克乙醇，攪拌均勻，再加入20. 70克石墨粉末和6. 09克硼化鋯粉末，攪拌均勻，形成石墨流延料，其中石墨粉末和硼化鋯粉末是按照 90% 10%的體積百分比稱??；C3)流延成型，分別將硼化鋯流延料和石墨流延料流延，室溫干燥脫模后得到800 μ m厚的硼化鋯流延片和50 μ m厚的石墨流延片；2、對硼化鋯流延片和石墨流延片依照模具大小分別切片；3、將硼化鋯片和石墨片交替疊加放入石墨磨具中，真空脫脂，脫脂時，升溫速度為 2. 50C /min，升溫至 650°C，保溫 Ih ；4、然后采用氬氣氣氛熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1950°C，保溫lh，壓力為30MPa，即制得層狀超高溫陶瓷。實施例31、制備硼化鋯流延片與石墨流延片(1)硼化鋯流延料的制備，先稱量8. 70克聚乙烯醇縮丁醛、8. 70克聚乙烯醇、116. 02克乙醇，攪拌均勻，再加入54. 81克5 μ m的硼化鋯粉末和3. 20克2μπι的碳化硅粉末，攪拌均勻，形成硼化鋯流延料，其中硼化鋯粉末和碳化硅粉末是按照90% 10%的體積百分比稱??；(2)石墨流延料的制備，先稱量4. 6克聚乙烯醇縮丁醛、4. 6克聚乙烯醇、230克乙醇，攪拌均勻，再加入23克石墨粉末，攪拌均勻，形成石墨流延料；C3)流延成型，分別將硼化鋯流延料和石墨流延料流延，室溫干燥脫模后得到 200 μ m厚的硼化鋯流延片和20 μ m厚的石墨流延片；2、對硼化鋯流延片和石墨流延片依照模具大小分別切片；3、將硼化鋯片和石墨片交替疊加放入石墨磨具中，真空脫脂，脫脂時，升溫速度為 30C /min，升溫至 600°C，保溫 Ih ；4、然后采用氬氣氣氛熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為2000°C，保溫0.證，壓力為40MPa，即制得層狀超高溫陶瓷。實施例41、制備硼化鋯流延片與石墨流延片(1)硼化鋯流延料的制備，先稱量8. 70克聚乙烯醇縮丁醛、5克聚乙二醇、3. 70克聚乙烯醇、116. 02克乙醇，攪拌均勻，再加入54. 81克 5 μ m的硼化鋯粉末和3. 20克2 μ m的碳化硅粉末，攪拌均勻，形成硼化鋯流延料，其中硼化鋯粉末和碳化硅粉末是按照90% 10%的體積百分比稱取；( 石墨流延料的制備，先稱量4. 6克聚乙烯醇縮丁醛、3克聚乙二醇、1克聚乙烯醇、230克乙醇，攪拌均勻，再加入23克石墨粉末，攪拌均勻，形成石墨流延料；C3)流延成型，分別將硼化鋯流延料和石墨流延料流延，室溫干燥脫模后得到200 μ m厚的硼化鋯流延片和20 μ m厚的石墨流延片；
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2、對硼化鋯流延片和石墨流延片依照模具大小分別切片；3、將硼化鋯片和石墨片交替疊加放入石墨磨具中，真空脫脂，脫脂時，升溫速度為 30C /min，升溫至 600°C，保溫 Ih ；4、然后采用氬氣氣氛熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為2000°C，保溫0. ，壓力為40MPa，即制得層狀超高溫陶瓷。
權(quán)利要求
1.一種硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，其特征在于采用以下步驟1)采用流延法分別制備硼化鋯流延片與石墨流延片先將粘結(jié)劑和增塑劑加入溶劑中攪拌均勻，再分別加入硼化鋯陶瓷粉料和石墨陶瓷粉料、攪拌均勻，形成流延料，然后流延成型，室溫干燥脫模后分別得到200 1000 μ m厚的硼化鋯流延片和20 100 μ m厚的石墨流延片；2)對硼化鋯流延片和石墨流延片依照模具大小分別切片；3)將硼化鋯片和石墨片交替疊加放入石墨磨具中，真空脫脂，脫脂時，升溫速度為2 30C /min,升溫至 600 700°C，保溫 0. 5 Ih ；4)在氬氣氣氛下熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1900 2000°C，保溫0.5 2h，壓力為20 40MPa,即得層狀超高溫陶瓷。
2.如權(quán)利要求1所述的硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，其特征在于步驟1)中，硼化鋯陶瓷粉料由硼化鋯粉末和碳化硅粉末按體積百分比70 90% 10 30%混合而成，硼化鋯粉末的粒徑為1 5 μ m，碳化硅粉末的粒徑為0. 5 2 μ m0
3.如權(quán)利要求1所述的硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，其特征在于步驟1)中，以硼化鋯陶瓷粉料重量為基礎(chǔ)計算，按重量百分比稱取粘結(jié)劑5 15%、增塑劑5 15%和溶劑100 ~ 200% ο
4.如權(quán)利要求1所述的硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，其特征在于步驟1)中，石墨陶瓷粉料由石墨粉末和硼化鋯粉末按體積百分比80 100% 0 20%混合而成。
5.如權(quán)利要求1所述的硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，其特征在于以石墨陶瓷粉料重量為基礎(chǔ)計算，按重量百分比稱取粘結(jié)劑10 20%、增塑劑10 20%和溶劑500 1000% ο
6.如權(quán)利要求1、3或5所述的硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，其特征在于粘結(jié)劑采用聚乙烯醇縮丁醛；增塑劑采用聚乙二醇和聚乙烯醇中的一種或兩種的混合；溶劑采用乙醇。
全文摘要
本發(fā)明提供一種硼化鋯-碳化硅/石墨層狀超高溫陶瓷的制備方法，其特征在于采用以下步驟1)采用流延法分別制備硼化鋯流延片與石墨流延片先將粘結(jié)劑和增塑劑加入溶劑中攪拌均勻，再分別加入硼化鋯陶瓷粉料和石墨陶瓷粉料、攪拌均勻，形成流延料，然后流延成型，室溫干燥脫模后分別得到200～1000μm厚的硼化鋯流延片和20～100μm厚的石墨流延片；2)對硼化鋯流延片和石墨流延片依照模具大小分別切片；3)將硼化鋯片和石墨片交替疊加放入石墨磨具中，真空脫脂；4)在氬氣氣氛下熱壓燒結(jié)，制備出層狀超高溫陶瓷。本發(fā)明制備工藝簡單、成本低，所得材料可加工性強，組成成分可控，韌性高達11.3MPa·m1/2。
文檔編號C04B35/622GK102173829SQ20101062237
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者馮柳, 劉曙光, 牛金葉, 魏春城 申請人:山東理工大學