一种高强度抗氧化碳化锆陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强度抗氧化碳化锆陶瓷材料及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。该碳化锆陶瓷材料包括基体和掺杂组元，掺杂组元的摩尔数占基体摩尔数的1%~15%；所述的基体为碳化锆陶瓷；所述的掺杂组元为钨、铌、碳化钨、碳化铌或其混合物。本发明专利技术的方法制备的碳化锆陶瓷材料室温弯曲强度≥400?MPa，最高可达420?MPa，?高温1200oC的弹性模量≥300?GPa，高温1200oC的弹性模量≥275?GPa。此外，上述方法得到的碳化锆陶瓷材料在空气中氧化结束的温度比未掺杂的碳化锆陶瓷提高了200oC。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，具体涉及一种通过掺杂钨或铌或它们的组合提高碳化锆陶瓷块体材料的室温强度、高温强度、高温弹性模量和高温抗氧化性的方法，属于陶瓷材料

技术介绍
碳化锆陶瓷(ZrC)具有高熔点、高弹性模量、抗辐照等优异的综合性能，在航空、航天、核工业等领域具有广泛的应用前景。然而，作为高温结构材料，其抗氧化性较差和强度低的缺点限制了它的广泛应用。特别是第四代高温核反应堆对新型抗辐照材料提出了耐高温、抗氧化、抗辐照的要求，要求碳化锆陶瓷既具有高的强度和高温抗氧化性，又具有优异的抗辐照性能。碳化锆陶瓷由于难以烧结，其强度和韧性均比较低，通常强度只有150MPa左右，为了提高碳化锆陶瓷的室温和高温性能，国内外开展大量的研究工作。文献I(ScriptaMater.，59:638-641 (2008))提供了一种在碳化锆陶瓷中加入MoSi2提高烧结活性、降低烧结温度的方法，由于ZrC陶瓷的平均晶粒尺寸减小，使碳化锆陶瓷的室温强度和韧性得到改善，但由于MoSi2的熔点低(2030°C)和高温抗蠕变性较差，因此高温力学性能未得到提高。文献2(J. Mater. Sc1.，39 :6057-6066 (2004))采用前驱体裂解的碳化锆粉末为原料，在1700-1950°C、40MPa压力下热压烧结2小时制备出接近理论密度的体材料，但高温抗氧化性未得到改善。文献 3(Metallography，6，433-438(1973))提供了一种用电弧熔化制备碳化锆和掺杂硼的碳化锆的方法，所得到的材料致密度高，掺杂硼的碳化锆的抗氧化性有所提高，但由于晶粒粗大，强度较低。文献4(J. Mater. Sc1. 43:6414-6421 (2008))提供了一种用放电等离子体烧结制备碳化锆陶瓷的方法，虽然强度和韧性得到改善，但高温抗氧化性未得到提高。到目前为止，还没有一种既可以提高碳化锆陶瓷的室温和高温强度，又可以提高碳化锆陶瓷的高温抗氧化性的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提出，该方法制备的碳化锆陶瓷材料具有室温强度高、高温强度高、高温弹性模量高和高温抗氧化性好的优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。本专利技术的一种高强度抗氧化碳化锆陶瓷材料，该碳化锆陶瓷材料包括基体和掺杂组元，掺杂组元的摩尔数占基体摩尔数的1°/Tl5% ；所述的基体为碳化锆(ZrC)陶瓷；所述的掺杂组元为钨(W)、铌(Nb)、碳化钨(WC)、碳化铌(NbC)或其混合物；所述的掺杂组元的纯度不小于99%，粒径为小于300目；本专利技术的一种高强度抗氧化碳化锆陶瓷材料的制备方法，具体步骤为将基体和掺杂组元混合后，烘干，然后在氩气保护下进行热压烧结，得到高强度抗氧化碳化锆陶瓷材料；所述的混合是在行星式球磨机中进行的湿法混合，混合时间为20-30h，混合介质为乙醇，磨球为碳化钨球。所述的烘干时在真空烘箱中进行的，烘干温度为40_70°C ；所述的热压烧结时所使用的模具为石墨模具，热压烧结温度为1700-2000°C，热压烧结时间为l 4h，热压烧结压力为2(T40 MPa。有益效果本专利技术的方法制备的碳化锆陶瓷材料具有高的致密度、优异的室温和高温力学性能以及良好的高温抗氧化性。根据掺杂组元含量的不同，该方法得到的碳化锆陶瓷，室温弯曲强度> 400 MPa,最高可达420 MPa,高温1200°C的弹性模量彡300 GPa，高温1200°C的弹性模量彡275GPa。未掺杂的碳化锆陶瓷的弯曲强度为150_400MPa，高温1200°C的弹性模量为270GPa, 12000C以上强度和高温弹性模量低。此外，上述方法得到的碳化锆陶瓷材料在空气中氧化结束的温度比未掺杂的碳化锆陶瓷提高了 200°C。通过对比可见本专利技术制备的碳化锆陶瓷材料具有优异的室温、高温力学性能和良好的高温抗氧化性。附图说明图1为实施例1得到的碳化钨掺杂碳化锆陶瓷的X-射线衍射谱； 图2为掺杂WC含量对碳化锆陶瓷致密度的影响；图3为掺杂NbC含量对碳化锆陶瓷致密度的影响。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1将锆粉86. 5 g，钨粉9. 2 g，石墨粉12 g均匀混合，在行星式球磨机上球磨20小时，球磨介质为乙醇，磨球为碳化钨球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干温度为50 0C0干燥后的粉末置入Φ60 _的石墨模具中，反应热压烧结在流动氩气保护下进行，热压温度为1800°C，压力为35 MPa，保压时间为60分钟。将得到的材料按照GB/T 14390-2008进行力学性能测试，弯曲强度的样品尺寸为3mmX 4mmX 40mm,断裂韧性为4mmX 8mmX 36mm。测试结果为室温弯曲强度为450MPa,断裂韧性为3.5 MPa.m1/2，得到的碳化钨掺杂碳化锆陶瓷的X-射线衍射谱如图1所示。实施例2 将锆粉86. 5 g，铌粉4. 6 g，石墨粉12 g均匀混合，在行星式球磨机上球磨20小时，球磨介质为乙醇，磨球为碳化钨球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干温度为50°C。干燥后的粉末置入O60mm的石墨模具中，反应热压烧结在流动氩气保护下进行，热压温度为1900°C，压力为30 MPa，保压时间为90分钟，得到碳化钨掺杂碳化锆陶瓷。将得到的材料采用脉冲法进行室温和高温弹性模量测试，标准为ASTM E1259-94，样品尺寸为4mmX 12mmX40mm。测试结果为室温弹性模量为385GPa，1400°C弹性模量为300GPa。实施例3将锆粉84. 6 g，钨粉5. 5 8，铌粉2.8 g，石墨粉12 g均匀混合，在行星式球磨机上球磨30小时，球磨介质为乙醇，磨球为碳化钨球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干温度为70V。干燥后的粉末置入Φ60 mm的石墨模具中，反应热压烧结在流动氩气保护下进行，热压温度为1850°C，压力为40 MPa，保压时间为70分钟，得到碳化钨掺杂碳化锆陶瓷。将得到的材料按照GB/T 14390-2008进行弯曲强度测试，弯曲强度的样品尺寸为3mmX4mmX40mm,断裂韧性为4mmX8mmX36mm ;采用脉冲法进行室温弹性模量测试，标准为ASTM E 1259-94，样品尺寸为4mmX12_X40mm。测试结果为室温弯曲强度为460MPa，弹性模量为390GPa，断裂韧性为3. 8MPa. m1/2。实施例4将碳化错粉107. 5 g,碳化银粉6. 6 g均勻混合,在行星式球磨机上球磨24小时，球磨介质为乙醇，磨球为碳化钨球，球磨后粉末在真空烘箱中烘干，烘干温度为50°C。干燥后的粉末置入O60mm的石墨模具中，反应热压烧结在流动氩气保护下进行，热压温度为1900°C，压力为40 MPa，保压时间为90分钟，得到碳化钨掺杂碳化锆陶瓷。将得到的材料按照GB/T 14390-2008进行力学性能测试，弯曲强度的样品尺寸为3mmX 4mmX 40mm,断裂朝性为4mmX 8mmX 36mm。所得材料的室温弯曲强度为450MPa, 1200°C的弯曲强度340MPa，断 裂韧性为3. 5MPa. m1/2。实施例5将100摩尔的碳化锆粉与5摩尔的碳化钨均匀混合，在行星式球磨机上球磨24小时，球磨介质为乙醇，磨球为碳化钨球，球磨后粉末在真空烘箱中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度抗氧化碳化锆陶瓷材料，其特征在于：该碳化锆陶瓷材料包括基体和掺杂组元，掺杂组元的摩尔数占基体摩尔数的1%~15%；所述的基体为碳化锆陶瓷；所述的掺杂组元为钨、铌、碳化钨、碳化铌或其混合物。

【技术特征摘要】
1.一种高强度抗氧化碳化锆陶瓷材料，其特征在于该碳化锆陶瓷材料包括基体和掺杂组元，掺杂组元的摩尔数占基体摩尔数的1°/Tl5% ；所述的基体为碳化锆陶瓷；所述的掺杂组元为鹤、银、碳化鹤、碳化银或其混合物。2.根据权利要求1所述的一种高强度抗氧化碳化锆陶瓷材料，其特征在于所述的掺杂组元的纯度不小于99%，粒径为小于300目。3.—种权利要求1所述的高强度抗氧化碳化锆陶瓷材料的制备方法，其特征在于具体步骤为将基体和掺杂组元混合后，烘干，然后在氩气保护下进行热压烧结，得到高强度抗氧化碳化锆陶瓷材料。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：周延春，郑丽雅，卢新坡，
申请(专利权)人：航天材料及工艺研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：