一种高韧性钛碳化硅‑碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种复合陶瓷的制备方法，特别是一种高韧性钛碳化硅‑碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法，属于陶瓷材料制备技术领域。所述的方法包括如下步骤：将炭黑、碳化钛粉、钛粉与分散剂、增塑剂均匀分散，然后高速球磨得到陶瓷浆料；将陶瓷浆料经真空除气后缓慢注入石膏模具，干燥后得到异形件素坯；将异形件素坯移入真空烧结炉，在素坯上方均匀平铺高纯硅粉，再进行熔渗‑反应烧结，烧结温度1650～1700℃，保温时间1～2小时，即得到高韧性钛碳化硅‑碳化硅复相陶瓷异形件。本发明专利技术的钛碳化硅‑碳化硅复相陶瓷异形件具有较高的致密度，以及良好的力学性能，尤其具有较高的抗弯强度和断裂韧性。

A kind of high toughness titanium silicon carbide silicon carbide ceramic composite profiled preparation method

The invention relates to a composite ceramic preparation method, in particular to a high toughness titanium carbide SiC composite ceramic special-shaped pieces of the preparation method, belonging to the technical field of ceramic material preparation. The method comprises the following steps: carbon black, titanium carbide powder, titanium powder and dispersant and plasticizer evenly dispersed, and then get high milling speed of ceramic slurry; ceramic slurry by vacuum degassing after injected into the plaster mold, after drying profiled blank; the profiled blank in vacuum sintering furnace in the above, the blank of high purity silica fume evenly, then the infiltration reaction sintering, the sintering temperature of 1650 ~ 1700 DEG C, holding time of 1 to 2 hours, to obtain high toughness titanium silicon carbide silicon carbide ceramic special-shaped pieces of. The invention of titanium carbide SiC composite ceramic special-shaped pieces of has high density and good mechanical properties, especially the flexural strength and higher fracture toughness.

【技术实现步骤摘要】
一种高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法
本专利技术涉及一种复合陶瓷的制备方法，特别是一种高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法，属于陶瓷材料制备

技术介绍
碳化硅陶瓷材料具有轻质高强、导热性能好、膨胀系数低、硬度高、抗氧化等优异的性能，在剧烈的环境扰动包括温度和湿度的剧烈变化或暴露在腐蚀性和其他易发生化学反应的环境中都具有非常好的尺寸稳定性，因此在航空、航天、汽车、机械、石化、冶金和电子等行业得到了广泛的应用。由于大部分碳化硅制品都属于高附加值产品，市场前景广阔，因此受到很多国家的重视，一直是材料学界研究的重点，如何制得高韧性、复杂形状碳化硅陶瓷部件也是研究者一直关心的课题。碳化硅是一种强共价键性(共价键成分占88％)化合物，高温烧结条件下扩散系数相当低，烧结难以致密，因此往往难以制得力学性能优异的材料。单相碳化硅陶瓷的断裂韧性一般较低，目前业界倾向于配料过程中加入短纤维、纳米颗粒等作为增强体制备成复合材料的方式解决此问题；然而，第二相增强体引入过程中伴随的纤维/颗粒团聚、高温损伤、界面强度等问题降低了其韧化效果。另外，目前碳化硅陶瓷常见的制备方法主要有热压烧结、热等静压烧结、反应烧结、常压烧结、化学气相沉积、气相渗透，聚合物前驱体转化等方法。其中常压烧结、热压烧结、热等静压烧结等烧结工艺烧结温度高达到2000℃，烧结收缩率在15％左右，难以实现复杂形状碳化硅制品的制备。而碳化硅陶瓷具有很高的硬度和刚度，加工难度高且周期长，因此要求烧结制品具有较高的尺寸精度。钛碳化硅具有良好的抗热震性和高电导率，良好的抗氧化性和高温热稳定性，体现了金属和陶瓷的双重优点，因此具有良好的应用前景。钛碳化硅是三元材料中具有典型塑性特征的材料，具有类似石墨的层状结构，可以明显改善裂纹传播过程中扩展路径，有望制备性能优异的结构、功能一体化陶瓷基复合材料，因此成为陶瓷材料领域的研究热点。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术中存在的上述不足，提供一种钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法，制得的复相陶瓷异形件具有优异的力学性能，尤其具有较高的致密度和韧性。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法，所述的方法包括如下步骤：1)将炭黑、碳化钛粉、钛粉与分散剂、增塑剂按比例均匀分散，然后高速球磨得到陶瓷浆料；2)将陶瓷浆料经真空除气后缓慢注入石膏模具，干燥后得到异形件素坯；3)将异形件素坯移入真空烧结炉，在素坯上方均匀平铺高纯硅粉，再进行熔渗-反应烧结，烧结温度1650～1700℃，保温时间1～2小时，即得到高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件。本专利技术采用石膏模具，能够成型复杂形状的部件，只要加工出所需模具即可。在上述高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法中，以占陶瓷浆料总质量的百分比计，炭黑50-60％、碳化钛粉25-35％、钛粉10-15％、分散剂1-3％、增塑剂3-5％。在本专利技术复相陶瓷异形件中炭黑提供碳源，与液相硅反应生成碳化硅；炭黑含量过高时(含量超过60％)，碳-硅反应伴随明显的体积膨胀，复相陶瓷中容易产生微裂纹，导致强度、韧性等力学性能降低；炭黑过低时(含量低于50％)，复相陶瓷中硅含量升高，复相陶瓷的致密度、硬度较低。碳化钛和钛粉与液相硅反应生成钛碳化硅；若碳化钛和钛粉的含量过高时，钛碳化硅含量较高，复相陶瓷的硬度不足；若碳化钛和钛粉的含量过低时，钛碳化硅含量较低，复相陶瓷缺少层状增强体的强韧化作用，强度、韧性较低。本专利技术中碳化钛和钛粉、炭黑需要加分散剂进行分散，尽量使其以单个颗粒的形式存在。且制备工艺要求注浆成型后的坯体具备一定的强度，该强度源于增塑剂的结合作用；增塑剂含量较低时坯体的强度较低，干燥易开裂；含量过高时，坯体中的水分散失缓慢，干燥周期比较长。作为优选，碳化钛粉与钛粉的质量比为2-3:1。碳化钛粉、钛粉与液相硅发生反应生成钛碳化硅，为了反应生成适量的钛碳化硅相，碳化钛粉、钛粉的质量比需要严格控制在2-3:1，否则余下的碳化硅粉或者钛粉会影响复相陶瓷异形件的性能。作为优选，碳化钛粉的粒径为1～3μm。碳化钛粉粒径过大时所生成的钛碳化硅粒径较大，会降低材料的强度韧性等力学性能；但是小于1微米的亚微米粉及纳米粉，原料成本极高。作为优选，钛粉的粒径为2～5μm。钛粉粒径过大时所生成的钛碳化硅粒径较大，会降低材料的强度韧性等力学性能；小于2微米的钛粉原料成本极高。作为优选，所述的分散剂为聚乙烯醇、四甲基氢氧化铵、聚丙烯酸、柠檬酸铵、聚乙二醇中的一种或多种，分散介质为无水乙醇、去离子水中的一种或两种，分散方式为高频超声分散。作为优选，所述的增塑剂为羧甲基纤维素钠、环氧树脂、有机硅、聚乙烯醇中的一种或多种。进一步优选，所述的增塑剂为羧甲基纤维素钠，羧甲基纤维素钠的粘度为800-1200Pa·s。若是粘度太低，则影响结合力，但是粘度更大的又会大幅度增加生产成本，所以经试验研究，粘度800-1200Pa·s的羧甲基纤维素钠既能保证较低的生产成本，又可以保证较好的结合力。在上述高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法中，球磨的介质为高硬度碳化硅球。在上述高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法中，石膏模具表面涂覆一层涂料，所述的涂料包括如下质量份数的成分：微晶蜡3-8份、羊毛脂镁皂3-5份、改性水玻璃0.5-2份、松香3-8份、溶剂油20-30份、矿物油20-30份。本专利技术通过在石膏模具表面涂覆一层上述配方合理的涂料，将石膏表面进行覆盖，利用油品的憎水性将石膏与泥浆中的水及有害成份分隔开来，减少泥浆中的有害物质与石膏模具进行接触的机会，防止腐蚀反应的发生。同时尽量减少模具表面因浸油而对其吸水性能的影响。作为优选，所述的石膏模具包括如下质量份数的成分：碳纤维20-30份、硅酸盐5-10份、松香8-15份、酚醛树脂2-6份、粘合剂2-8份、石英砂1-5份、多聚磷酸钠3-8份、减水剂3-15份。本专利技术通过进一步改善石膏模具进而提高复相陶瓷异形件的密度。本专利技术石膏模具通过加入适量的碳纤维、硅酸盐，提高石膏模具的强度，包括干抗压强度，湿抗压强度。现有中普通硫酸钙制得的石膏模具容易出现细小的裂缝经不断研究发现，本专利技术石膏模具不仅不会出现裂缝，且比普通石膏磨具的干抗压强度增加35％，湿抗压强度增加54％。进一步提高钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件成型后的密度。在上述高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法中，素坯上方的铺硅量为硅-碳化学反应所需硅量的1.2～1.4倍。在上述高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法中，烧结过程中温度低于800℃时炉膛抽真空到10～20Pa，当温度达到800℃以上炉膛充氩气或氮气。硅的熔点为1450℃，继续升温到1650～1700℃液相硅的流动性较好，能快速渗透陶瓷坯体，但是若温度超过1700℃会加剧挥发，反而影响效果；碳化硅在高温下容易发生氧化反应变成二氧化硅，抽真空和充氮气都是为了排除氧气、避免氧化，低温时真空度比较高，所以将炉膛抽真空到10～20Pa直至加热到800℃，在达到800℃后，充入氩气或氮气。在上述高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法中，熔渗-反应烧结后降温到室温，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高韧性钛碳化硅‑碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：1)将炭黑、碳化钛粉、钛粉与分散剂、增塑剂均匀分散，然后高速球磨得到陶瓷浆料；2)将陶瓷浆料经真空除气后缓慢注入石膏模具，干燥后得到异形件素坯；3)将异形件素坯移入真空烧结炉，在素坯上方均匀平铺高纯硅粉，再进行熔渗‑反应烧结，烧结温度1650～1700℃，保温时间1～2小时，即得到高韧性钛碳化硅‑碳化硅复相陶瓷异形件。

【技术特征摘要】
1.一种高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：1)将炭黑、碳化钛粉、钛粉与分散剂、增塑剂均匀分散，然后高速球磨得到陶瓷浆料；2)将陶瓷浆料经真空除气后缓慢注入石膏模具，干燥后得到异形件素坯；3)将异形件素坯移入真空烧结炉，在素坯上方均匀平铺高纯硅粉，再进行熔渗-反应烧结，烧结温度1650～1700℃，保温时间1～2小时，即得到高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件。2.根据权利要求1所述的高韧性钛碳化硅-碳化硅复相陶瓷异形件的制备方法，其特征在于，以占陶瓷浆料总质量的百分比计，炭黑50-60％、碳化钛粉25-35％、钛粉10-15％、分散剂1-3％、增塑剂3-5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李双，魏春城，刘爱菊，孟子霖，张茜，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37