內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷的制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷的制備工藝，屬于結(jié)構(gòu)陶瓷的制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在納米復(fù)合陶瓷中，納米粒子以兩種方式存在，一種是分布在基質(zhì)的晶界，即所謂“晶界型”或“晶間型”；另一種是分布在基質(zhì)晶粒內(nèi)部，即所謂“晶內(nèi)型”或“內(nèi)晶型”。
[0003]“內(nèi)晶型”結(jié)構(gòu)的以下效應(yīng)而發(fā)揮作用的:①“內(nèi)晶型”結(jié)構(gòu)導(dǎo)致“納米化效應(yīng)”。納米粒子進(jìn)人微米基質(zhì)顆粒之后，在基體晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大量次界面和微裂紋，引起基體顆粒的潛在分化，相當(dāng)于組織的再細(xì)化，使得主晶界的作用被削弱；②誘發(fā)穿晶斷裂。由于納米化效應(yīng)使晶粒內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，當(dāng)納米粒子與基質(zhì)晶粒由于熱膨脹失配和彈性失配造成納米相周圍產(chǎn)生局部拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)引發(fā)穿晶斷裂納米粒子使裂紋二次偏折。當(dāng)沿晶內(nèi)微裂紋或次界面擴(kuò)展的主裂紋前端遇到納米粒子無法穿過時(shí)，會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而耗散了斷裂能量。彌散分布在基體中的納米第二相粒子比表面積大、化學(xué)活性高、彌散度大，尤其是它在納米復(fù)合陶瓷中會(huì)以不同的結(jié)構(gòu)形式存在，從而帶來了陶瓷材料韌化機(jī)理研究的新理念。內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)最突出的表現(xiàn)有二點(diǎn):①提尚抗彎強(qiáng)度；②提尚斷裂初性提尚耐尚溫性會(huì)泛。
[0004]ZrB2陶瓷具有優(yōu)越的耐高溫和耐腐蝕性能及相對(duì)較低的理論密度，因此一直被認(rèn)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，2池2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ZrB2陶瓷強(qiáng)度和斷裂韌性較低，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(dòng)機(jī)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2池2陶瓷的脆性問題，從而提高其耐熱沖擊性能。
[0005]專利CN101250061B“氧化鋯增韌硼化物超高溫陶瓷基復(fù)合材料的制備方法”，采用氧化鋯增韌硼化物，斷裂韌性達(dá)6.0?6.8 MPa.ι?1/2。專利CN2009100721324“硼化鋯-碳化硅-碳黑三元高韌化超高溫陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法”，采用石墨增韌硼化鋯基超高溫陶瓷，其臨界溫差為470?1000°C，斷裂韌性達(dá)2.01?6.57 MPa.m1/2,抗熱沖擊性得到明顯提尚。
[0006]目前，內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷的制備工藝研究鮮有報(bào)道，文獻(xiàn)“Qiang Liu,ffenbo Han, Jiecai Han.1nfluence of SiCnp content on the microstructure andmechanicalproperties of ZrB2- SiC nanocomposite.Scripta Materialia，2010，63:581 - 584”，以 30 nmSiC 和 lWn ZrB2S原料，1900°C、30 MPa 下熱壓燒結(jié)，制備出 ZrB 2 - 20vol.% SiC超高溫陶瓷，結(jié)構(gòu)為SiC納米內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)，彎曲強(qiáng)度達(dá)到1009.1±43 MPa，斷裂韌性達(dá)到 6.8±0.2 MPa.m1/2。
[0007]而通過改變硼化鋯粉體形貌，制備內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有硼化鋯基超高溫陶瓷韌性差的問題，而提供內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷的制備工藝。其技術(shù)方案為:
內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷的制備工藝，其特征在于采用以下步驟:
1)先將硼化鋯陶瓷粉料加入無水乙醇中，硼化鋯陶瓷粉料由中空棒狀硼化鋯粉體和納米碳化硅粉體按體積百分比70?90%:10?30%混合而成，攪拌4?8h，形成均勻的陶瓷懸浮液；
2)采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將陶瓷懸浮液進(jìn)行真空干燥形成混合粉；
3)然后將混合粉加入涂有氮化硼的石墨磨具中，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?40 MPa,即得內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷。
[0009]所述的內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷的制備工藝，步驟1)中，硼化鋯陶瓷粉料中中空硼化鋯粉體的直徑為2?5 μ m，壁厚為0.5 μ m左右，長(zhǎng)度為10?15 μ m，即空心直徑為1 ~ 4 μ mD
[0010]所述的內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷的制備工藝，步驟1)中，硼化鋯陶瓷粉料中納米碳化娃粉體的粒徑為10?50nm。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、在本發(fā)明制得的內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷，2池2顆粒為中空棒狀，在熱壓過程中，2池2顆粒有擇優(yōu)取向，棒狀垂直于熱壓方向，斷裂過程中有利于裂紋偏轉(zhuǎn)，提高斷裂韌性和抗熱沖擊性，使得材料的安全性和可靠性得到提高；
2、本發(fā)明以中空棒狀ZrB2粉體為原料，混合過程中一部分內(nèi)納米SiC進(jìn)入ZrB2粉體的孔洞中，易于生成內(nèi)晶型硼化鋯；
3、在本發(fā)明制得的內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷，部分納米SiC進(jìn)入ZrB^aB粒內(nèi)部，形成內(nèi)晶型ZrB2，與相同成分配比的硼化鋯基超高溫陶瓷相比較，具有較好的抗氧化燒蝕性和較高的抗彎強(qiáng)度；
4、在本發(fā)明制得的內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷，兼有棒狀增韌和內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)增韌的復(fù)合效果，斷裂韌性提高明顯。
【具體實(shí)施方式】
[0012]實(shí)施例1
1)稱取425.6克的中空棒狀硼化鋯粉體和96克的碳化硅粉體加入無水乙醇中，即中空棒狀硼化鋯粉體和納米碳化硅粉體按體積百分比70%:30%，其中中空硼化鋯粉體的直徑為2 μm，壁厚為0.5 μπι左右，長(zhǎng)度為10 μm，即空心直徑為1 μπι ;納米碳化娃粉體的粒徑為10nm ;攪拌4h，形成均勾的陶瓷懸浮液；
2)采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將陶瓷懸浮液進(jìn)行真空干燥形成混合粉；
3)然后將混合粉加入涂有氮化硼的石墨磨具中，在氬氣氣氛下熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1900°C，保溫0.5h，壓力為20 MPa,即得內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷。
[0013]實(shí)施例2
1)稱取547.2克的中空棒狀硼化鋯粉體和32克的碳化硅粉體加入無水乙醇中，即中空棒狀硼化鋯粉體和納米碳化硅粉體按體積百分比90%:10%，其中中空硼化鋯粉體的直徑為5 μm，壁厚為0.5 μπι左右，長(zhǎng)度為15 μm，即空心直徑為4 μπι ;納米碳化娃粉體的粒徑為50nm ;攪拌8h，形成均勾的陶瓷懸浮液；
2)采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將陶瓷懸浮液進(jìn)行真空干燥形成混合粉；
3)然后將混合粉加入涂有氮化硼的石墨磨具中，在氬氣氣氛下熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為2000°C，保溫2h，壓力為40 MPa,即得內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷。
[0014]實(shí)施例3
1)稱取486.4克的中空棒狀硼化鋯粉體和64克的碳化硅粉體加入無水乙醇中，即中空棒狀硼化鋯粉體和納米碳化硅粉體按體積百分比80%:20%，其中中空硼化鋯粉體的直徑為4 μm，壁厚為0.5 μπι左右，長(zhǎng)度為12 μm，即空心直徑為3 μπι ;納米碳化娃粉體的粒徑為30nm ;攪拌6h，形成均勾的陶瓷懸浮液；
2)采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將陶瓷懸浮液進(jìn)行真空干燥形成混合粉；
3)然后將混合粉加入涂有氮化硼的石墨磨具中，在氬氣氣氛下熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1950°C，保溫lh，壓力為30 MPa,即得內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷。
[0015]實(shí)施例4
1)稱取486.4克的中空棒狀硼化鋯粉體和64克的碳化硅粉體加入無水乙醇中，即中空棒狀硼化鋯粉體和納米碳化硅粉體按體積百分比80%:20%，其中中空硼化鋯粉體的直徑為3 μm，壁厚為0.5 μπι左右，長(zhǎng)度為10 μm，即空心直徑為2 μπι ;納米碳化娃粉體的粒徑為40nm ;攪拌5h，形成均勾的陶瓷懸浮液；
2)采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將陶瓷懸浮液進(jìn)行真空干燥形成混合粉；
3)然后將混合粉加入涂有氮化硼的石墨磨具中，在氬氣氣氛下熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1900°C，保溫lh，壓力為30 MPa,即得內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷的制備工藝，其特征在于采用以下步驟: 1)先將硼化鋯陶瓷粉料加入無水乙醇中，硼化鋯陶瓷粉料由中空棒狀硼化鋯粉體和納米碳化硅粉體按體積百分比70?90%:10?30%混合而成，攪拌4?8h，形成均勻的陶瓷懸浮液； 2)采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將陶瓷懸浮液進(jìn)行真空干燥形成混合粉； 3)然后將混合粉加入涂有氮化硼的石墨磨具中，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?40 MPa,即得內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷。2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷的制備工藝，其特征在于:步驟1)中，硼化鋯陶瓷粉料中中空硼化鋯粉體的直徑為2?5 μ m，壁厚為0.5 μ m左右，長(zhǎng)度為10?15 μ m，即空心直徑為1?4 μ m。3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷的制備工藝，其特征在于:步驟1)中，硼化錯(cuò)陶瓷粉料中納米碳化娃粉體的粒徑為10?50nm。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷的制備工藝，其特征在于采用以下步驟：1）先將硼化鋯陶瓷粉料加入無水乙醇中，硼化鋯陶瓷粉料由中空棒狀硼化鋯粉體和納米碳化硅粉體按體積百分比70～90%：10～30%混合而成，攪拌4～8h，形成均勻的陶瓷懸浮液；2）采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將陶瓷懸浮液進(jìn)行真空干燥形成混合粉；3）然后將混合粉加入涂有氮化硼的石墨磨具中，在氬氣氣氛下熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1900～2000℃，保溫0.5～2h，壓力為20～40MPa，即得內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，制備的內(nèi)晶型硼化鋯基超高溫陶瓷，兼有棒狀增韌和內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)增韌的復(fù)合效果，具有較高的抗彎強(qiáng)度和較好的抗氧化燒蝕性。
【IPC分類】C04B35/58
【公開號(hào)】CN105272267
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510671796
【發(fā)明人】魏春城, 劉新超, 楊贊中
【申請(qǐng)人】山東理工大學(xué)
【公開日】2016年1月27日
【申請(qǐng)日】2015年10月19日