一种高致密度陶瓷基复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高致密度陶瓷基复合材料及其制备方法和应用，二硼化锆-二硅化锆-碳化钨陶瓷基复合材料，是以二硼化锆粉末、二硅化锆和碳化钨为原料（纯度>98.0%），采用两步热压烧结工艺制备的。其中，二硼化锆粉末的质量份数为75～90%，在陶瓷基复合材料中加入较高含量的二硼化锆，有利于提升复合材料的物化性能；二硅化锆的质量份数为10～15%，将此质量份数的二硅化锆加入到陶瓷基复合材料中，能够明显降低材料制备的烧结温度；碳化钨的质量份数为0～10%，加入的碳化钨能够促进材料内部晶粒的各向异性增长。三种原始粉末的晶粒尺寸为1～5微米，此范围的晶粒尺寸有利于各相的均匀混合。本发明专利技术用作高超声速飞行器表面隔热层，具有高致密度、高力学性能的特点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种高致密度陶瓷基复合材料及其制备方法和应用，二硼化锆-二硅化锆-碳化钨陶瓷基复合材料，是以二硼化锆粉末、二硅化锆和碳化钨为原料（纯度>98.0%），采用两步热压烧结工艺制备的。其中，二硼化锆粉末的质量份数为75～90%，在陶瓷基复合材料中加入较高含量的二硼化锆，有利于提升复合材料的物化性能；二硅化锆的质量份数为10～15%，将此质量份数的二硅化锆加入到陶瓷基复合材料中，能够明显降低材料制备的烧结温度；碳化钨的质量份数为0～10%，加入的碳化钨能够促进材料内部晶粒的各向异性增长。三种原始粉末的晶粒尺寸为1～5微米，此范围的晶粒尺寸有利于各相的均匀混合。本专利技术用作高超声速飞行器表面隔热层，具有高致密度、高力学性能的特点。【专利说明】一种高致密度陶瓷基复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于陶瓷基复合材料
，涉及一种高致密度，力学性能优异的陶瓷基复合材料的制备方法。
技术介绍
随着高超声速飞行器的发展，其飞行速度已超过了 5Ma，导致飞行器在再入大气层时，受到巨大的气动载荷，促使飞行器表面在短时间内快速升温。因此，在飞行器表面需要高效的隔热/防热系统(热防护系统)来保障飞行器处于安全温度范围内，尤其是关键部位(如鼻锥，翼边缘等)需要在高温环境下物化性能稳定的结构材料。热防护系统典型的服役环境是:高温、氧化、气动载荷、惯性载荷及高速粒子冲刷等极端恶劣环境。基于现代高超声速飞行器的主要技术特征和服役环境特点，要求热防护材料必须具备轻质、耐高温和抗氧化性、高能量耗散、长时间服役和可重复利用等优点。而现有的热防护材料由于其轻质化和力学性能难以满足高超声速飞行器的飞行环境。二硼化锆(ZrB2)是二硼化物中体密度最小(6.085g/cm3)的陶瓷材料，且ZrB2陶瓷材料在高温条件下(2800°C以上)具有优异的物化稳定性，因此被认为是高温热结构最具潜力的材料之一。由于ZrB2分子中存在共价键和金属键，导致它具有高硬度(23GPa)，高强度(>500MPa),高熔点(>3200°C)，抗磨损和优异抗热冲击性能。然而，由于其自扩散系数低和共价键的存在，在较低温度下制备致密度较高的ZrB2单体比较困难。因此，决定了 ZrB2基陶瓷材料很难得到较高的致密度和较好的韧性。特别是超高声速飞行器处于气动载荷较大的环境中时，ZrB2基陶瓷材料的此类缺陷会给飞行器带来致命性灾难。改善ZrB2基陶瓷材料的致密性及其力学性能，使其能够在气动载荷苛刻的环境中保持安全性，这需要从陶瓷材料的各组分配比着手，并在制备工艺上做以改进。一般都采用在ZrB2中添加单相组分来提升致密度和力学性能，通常会将一定配比的纤维和低熔点的过渡元素的化合物(如:氮化物，碳化硅，二硅化钥等)加入其中。其中用二硅化钥颗粒增强的二硼化锆陶瓷，即二硼化锆一二硅化钥陶瓷基复合材料，其相对致密度可以达到90%以上，其断裂韧性低于5MPa.m1/2。
技术实现思路
本专利技术的目的，是制备一种具有高致密度、高力学性能的二硼化锆陶瓷基复合材料，以达到航天领域高超声速环境对材料的要求。为了达到上述目的，本专利技术提供一种高致密度陶瓷基复合材料，为二硼化锆-二硅化锆-碳化钨陶瓷基复合材料，其中，所述二硼化错的质量份数为:75~90% ；所述二硅化锆的质量份数为:10~15% ；所述碳化鹤的质量份数为:0~10% ；三者纯度为98.0~99.9%。所述复合材料为三者粉末混合后的烧结板材，相对致密度为90.67~99.54%。经三点弯曲实验得到材料在室温下的弯曲强度和断裂韧性分别为432~584MPa、5.6~6.8MPa.m1/2。优选方式下，所述二硼化锆粉、二硅化锆、碳化钨质量份数分别为75%、15%、10%,三者纯度均为99.0~99.9%。此状态下制备的二硼化锆-二硅化锆-碳化钨陶瓷基复合材料性能最好，其致密度为99.54%，弯曲强度为526MPa，断裂韧性为6.8MPa.m1/2。上述高致密度陶瓷基复合材料作为表面隔热层的应用，即，将二硼化锆-二硅化锆-碳化钨陶瓷基复合材料用作高超声速飞行器表面隔热层使用。本专利技术还提供了一种 上述高致密度陶瓷基复合材料的制备方法，包括如下步骤:St印1、研磨:取纯度均为98.0~99.9%、质量份数分别为75~90% ;10~15% ；0~10%的二硼化锆、二硅化锆和碳化钨粉末，用无水乙醇或丙酮作为分散介质，进行研磨并混合均匀，至平均晶粒尺寸I~5微米；St印2、烘干:将研磨后的浆料在40~60°C、真空状态下烘干；Step3、研磨制粉:对烘干后的混合粉末进行研磨，并将研磨的粉末过60~120目筛，得混合均匀的细粉；Step4、烧结:将所述细粉装入涂有氮化硼的石墨磨具中进行两步热压烧结，首先，以5~8°C /min的升温速率从室温升至1200°C，保温保压15~30min ;此后，以10~15°C /min的升温速率升温至1350~1650°C，保温保压15~30min ;此外，烧结过程中烧结压力为 30 ~60MPa。此后，以2~5°C /min降温至1000°C ;而后，自然冷却至室温，制得二硼化锆_ 二硅化锆-碳化钨陶瓷基复合材料。此外，烧结过程中，炉腔内保持O~0.1pa的高真空度。优选方式下，Stepl选用球磨，而最有效、操作简单且球磨后的粉末晶粒尺寸比较均匀的方式，选用行星球磨机，并选用碳化钨磨球；其中，原料、磨球和分散介质按质量比为I~3:10~15:1~3的配比进行球磨，同时，磨罐内腔充入惰性气体保护，球磨机的转速设置为180~240转/每分钟，球磨时间为18~24小时。此外，St印I不能直接取I~5微米的原料粉末混合不行，一方面粉末不能均匀的混合，另外球磨的目的为了增加粉末表面的活性，有利于烧结时，材料得到较高的致密度。优选方式下，Step2中选用旋转蒸发皿烘干。旋转蒸发皿放在旋转蒸发皿中烘干，是为了防止粉末在烘干过程中被氧化。只要在真空条件下，选用其他的烘干方式也可。最优方式下，原料质量比比为二硼化锆粉末75%、二硅化锆15%，碳化钨10%，纯度高于99.0%~99.9%。这一比例范围制备的陶瓷基复合材料的致密度为99.54%，弯曲强度为526MPa，断裂韧性为6.8MPa.m1/2，达到最佳状态。St印4总计的烧结时间为可达260~320分钟此外，上述方法还包括St印5打磨抛光:制备好的二硼化锆-二硅化锆-碳化钨陶瓷基复合材料，为板材，上下表面在研抛机上进行打磨抛光，抛光液为刚玉粉和金刚石悬浮液。本专利技术的效果和益处在于:采取两步热压烧结的工艺，制备具有高致密度，高强度和高韧性的二硼化锆陶瓷基复合材料，具体如下:( I)采用两步热压烧结工艺，能够在较短时间和较低温度，制备二硼化锆-二硅化锆-碳化钨陶瓷基复合材料。本专利技术中，由于使用二硅化锆作为助烧结剂，通过热压烧结工艺，可将较低温度变软的二硅化锆均匀弥散到二硼化锆间隙内部，得到各相均匀分布的复合材料。( 2 )采用阿基米德排水法和混合法则，得到真实密度和理论密度，经它们间比值得到材料的相对致密度。通过计算所得，本专利技术的二硼化锆-二硅化锆-碳化钨陶瓷基复合材料的相对致密度为90.67~99.54%。(3)通过三点弯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高致密度陶瓷基复合材料，其特征在于，为二硼化锆?二硅化锆?碳化钨混合粉末热压烧结制得的陶瓷基复合材料，其中：?所述二硼化锆的质量份数为：75～90%；?所述二硅化锆的质量份数为：10～15%；?所述碳化钨的质量份数为：0～10%；?三者纯度为98.0～99.9%。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沙建军，韦志强，李建，代吉祥，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：