一种硼化锆增强SiC-AlN固溶主相纳米复相陶瓷烧结体的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种硼化锆增强SiC

【技术实现步骤摘要】
一种硼化锆增强SiC
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AlN固溶主相纳米复相陶瓷烧结体的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种硼化锆增强SiC
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AlN固溶主相纳米复相陶瓷烧结体的制备方法，具体涉及一种利用聚合物转化结合热压烧结工艺制备ZrB2增强SiC
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AlN固溶主相纳米复相陶瓷烧结体的方法，属于纳米陶瓷领域。

技术介绍

[0002]纳米陶瓷是陶瓷材料的一个重要分支，一般是由颗粒尺寸在100nm以下的粉末烧结得到的多晶陶瓷。当陶瓷晶粒尺寸不断减少时，晶界密度会不断增加，晶界处的原子数量也急剧增加。由于这种独特界面的存在，纳米陶瓷与传统的粗晶粒陶瓷相比具有更加优异的性能，如超塑性、可加工性、透明度、抗辐射性以及强度和硬度等。根据Hall
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Petch关系，陶瓷材料的强度随晶粒尺寸的降低而增大。因此，纳米陶瓷往往具有非常优异的力学性能，在国防、航空航天等领域具有巨大的应用价值。
[0003]纳米SiC陶瓷由于具有高强度、高硬度、耐磨、耐化学腐蚀以及优良的抗热震性而备受关注。目前，纳米SiC陶瓷的制备技术主要有化学气相合成、水热溶剂热、溶胶
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凝胶法等。但这些方法对设备要求较高，难以大规模生产。而聚合物衍生陶瓷(PDCs)工艺可以方便快捷制备纳米SiC陶瓷。PDCs工艺是将SiC的前驱体聚合物聚碳硅烷(PCS)直接裂解，PCS裂解会放出CO、CO2、H2、CH4、HCHO等小分子气体，原位生成纳米SiC陶瓷骨架，最终完成从聚合物到陶瓷的转变。利用PCS裂解制备的SiC纳米陶瓷，其微观结构一般认为是由游离碳组成的网络及其内部包含的SiC纳米域构成。
[0004]然而，利用PCS裂解制备的纳米SiC陶瓷微观结构难以控制。

技术实现思路

[0005]为了解决以上问题，本专利技术旨在探索一种利用聚合物转化结合热压烧结工艺制备ZrB2增强SiC
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AlN固溶主相纳米复相陶瓷烧结体的方法，用于高效制备晶粒细小、力学性能优异的纳米复相陶瓷。
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种ZrB2增强SiC
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AlN固溶主相纳米复相陶瓷烧结体的制备方法，包括：将SiC的前驱体PCS交联固化并研磨，得到PCS粉体；将所述PCS粉体和AlN粉体、ZrB2粉体、溶剂混合，得到浆料；将所得浆料干燥过筛，得到混合粉体；将所得混合粉体经高温裂解后得到无机混合粉体；将所述无机混合粉体置于惰性气氛中，在1900～2100℃下热压烧结，得到所述纳米复相陶瓷烧结体。
[0007]利用PDCs工艺制备的SiC陶瓷其晶粒虽为纳米尺寸，但是在PCS裂解的过程中由于大量小分子气体的放出，会产生大量的孔隙和裂纹，致使其力学性能降低。考虑到这一点，本专利技术将AlN和ZrB2添加到PCS中，得到晶粒细小的纳米复相陶瓷和提高PDCs产品的力学性能，二者相辅相成，不可分割。AlN可与SiC在较宽的组成和温度范围内形成连续固溶体，细化主相晶粒；同时，AlN作为烧结助剂，可促进SiC陶瓷的致密化。ZrB2作为一种典型的增强
相，对纳米SiC陶瓷具有增强增韧的作用。采用热压工艺，可使加热加压同时进行，缩短晶粒生长时间，降低晶粒尺寸；而且可以促进烧结致密化，弥补PCS裂解易产生缺陷的不足。以上特点使得ZrB2增强SiC
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AlN固溶主相纳米复相陶瓷具有优异的力学性能。
[0008]较佳的，所述PCS交联固化为：将液态PCS(即液态聚碳硅烷)与交联剂混合均匀后置于惰性气氛中于100～300℃下交联2～5小时，优选地，所述PCS交联固化的升温速率为1℃/min～10℃/min。
[0009]较佳的，所述交联剂为铂催化剂或过氧化物催化剂，优选为过氧化二异丙苯(DCP)；液态PCS交联剂的含量为液态PCS的0.2～0.6wt％，优选为0.4wt％。
[0010]较佳的，以粉体总和100wt％计，所述ZrB2粉体的含量为5～25wt％，所述AlN粉体的含量为5～25wt％，所述PCS粉体的含量为50～90wt％。
[0011]较佳的，所述浆料的固含量为65～70wt％。固含量太高，浆料粘度过大，不易混合均匀；固含量太低，浆料粘度过小，容易沉降分层。
[0012]较佳的，所述高温裂解为：以1℃/min～3℃/min的升温速率升温至800～1500℃并保温0.2～2小时。该裂解过程需使PCS完全裂解成SiC并产生部分游离C。根据热重(TG)分析，PCS发生裂解的主要温度范围为200～800℃，1200℃之后几乎不再发生失重，证明PCS裂解完成；对裂解后的样品进行X射线衍射(XRD)分析，发现只存在SiC和C的峰，也可以证明PCS完全裂解，游离C的产生是不可避免的。
[0013]较佳的，无机混合粉体的粒径在50～250μm之间。一般来说，粉体粒径越小，越容易烧结。
[0014]较佳的，所述热压烧结的烧结温度为1900～2100℃，热压烧结的保温时间为1～4小时；优选的，所述热压烧结的升温速率为2℃/min～20℃/min。
[0015]第二方面，本专利技术提供了上述制备方法得到的纳米复相陶瓷烧结体，所述纳米复相陶瓷烧结体包含固溶相SiC
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AlN、增强相ZrB2和残余游离碳；所述固溶相SiC
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AlN的含量为65～80wt％；所述增强相ZrB2的含量为6～27wt％；所述残余游离碳的含量为8～14wt％。
[0016]较佳的，所述固溶相SiC
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AlN的晶粒尺寸为80～160nm。
[0017]较佳的，所述纳米复相陶瓷烧结体的密度为3.10～3.55g
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cm
‑3，抗弯强度为350～600MPa，弹性模量为250～370GPa，维氏硬度为16～25GPa，断裂韧性K
IC
值为4～8MPa
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[0018]有益效果：
[0019]1、本专利技术最显著的特征在于利用聚合物转化结合热压烧结工艺制备了具有优异力学性能的纳米复相陶瓷，在国防、航空航天等领域具有巨大的应用价值。
[0020]2、本专利技术中，所制备的纳米复相陶瓷烧结体经过高温烧结，SiC和AlN形成连续固溶体，纳米ZrB2分布在固溶相基体的边界形成网状结构，SiC
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AlN固溶相基体的晶粒尺寸在100nm左右。
[0021]3、本专利技术中，所制备的纳米复相陶瓷烧结体密度为3.10～3.55g
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cm
‑3，力学性能得到较大提升，抗弯强度为350～600MPa，弹性模量为250～370GPa，维氏硬度为16～25GPa，断裂韧性K
IC
值为4～8MPa
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附图说明
[0022]图1为实施例2制备的ZrB2增强SiC
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AlN固溶主相纳米复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种ZrB2增强SiC
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AlN固溶主相纳米复相陶瓷烧结体的制备方法，其特征在于，包括：将SiC的前驱体PCS交联固化并研磨，得到PCS粉体；将所述PCS粉体和AlN粉体、ZrB2粉体、溶剂混合，得到浆料；将所得浆料干燥过筛，得到混合粉体；将所得混合粉体经高温裂解后得到无机混合粉体；将所述无机混合粉体置于惰性气氛中，在1900～2100℃下热压烧结，得到所述纳米复相陶瓷烧结体。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述PCS交联固化为：将液态PCS与交联剂混合均匀后置于惰性气氛中于100～300℃下交联2～5小时，优选地，所述PCS交联固化的升温速率为1℃/min～10℃/min。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述交联剂为铂催化剂或过氧化物催化剂；液态PCS交联剂的含量为液态PCS的0.2～0.6wt%。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的制备方法，其特征在于，以粉体总和100wt%计，所述ZrB2粉体的含量为5～25wt%，所述AlN粉体的含量为5～25wt%，所述PCS粉体的含量为50～90wt%。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述浆料的固含量为65～70 wt%。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄政仁，夏爱东，殷杰，姚秀敏，刘学建，陈忠明，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：