[发明专利]碳化锆钛颗粒增强硅铝碳化钛锆基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料及制备方法，具体为一种原位热压/固-液相反应制备的碳化锆钛((ZrTi)C)颗粒增强硅铝碳化钛锆((TiZr)₃Si(Al)C₂)基复合材料及其制备方法。

背景技术

Ti₃SiC₂是一种新型的三元层状陶瓷材料。美国陶瓷学会会刊(Journal of theAmerican Ceramic Society 79，1953(1996))中研究表明它综合了陶瓷和金属的诸多优点，具有低密度、高模量、高强度、高的电导率和热导率以及易加工等特点，因而具有广阔的应用前景。但作为一种结构材料，Ti₃SiC₂的硬度和耐磨性偏低，限制了其广泛应用。在材料学报(Acta Materials 52，3631(2004))和材料研究创新(Material Research Innovations 8，97(2004))中研究表明通过以适量的铝取代硅碳化钛中的硅而形成硅铝碳化钛固溶体(Ti₃Si(Al)C₂)，可以在比较大的范围内提高其抗氧化性能，但是其高温强度大幅度下降。研究表明，通过引入元素Zr可以形成(TiZr)₃(SiAl)C₂固溶体，硬度值提高50％，而其他力学性能相当。

发明内容

本发明的目的在于提供一种力学性能好(包括高温力学性能)、纯度高、致密度高、操作简单、工艺条件容易控制、成本低的碳化锆钛颗粒增强硅铝碳化钛锆基复合材料((TiZr)₃Si(Al)C₂/(ZrTi)C)及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种碳化锆钛颗粒增强硅铝碳化钛锆基复合材料，主要由碳化锆钛((ZrTi)C)颗粒增强相和硅铝碳化钛锆固溶体((TiZr)₃Si(Al)C₂)基体组成，其中碳化锆钛颗粒增强相的体积百分数为5～30％，杂质的体积百分数在7％以下。

所述碳化锆钛颗粒增强硅铝碳化钛锆基复合材料的制备方法，以单质钛粉、锆粉、硅粉、铝粉以及石墨粉作为原料，锆粉、硅粉、铝粉和石墨粉的摩尔比范围为(0.80-1.30)∶(0.20-0.50)∶(0.35-0.55)∶(0.01-0.05)∶1。基体(TiZr)₃Si(Al)C₂固溶体中(Ti_1-xZr_x)∶(Si_1-yAl_y)∶C的摩尔比为3.0∶(1～1.2)∶2.0，其中Zr的原子摩尔取代量x为0.1，Al的原子摩尔取代量y的取值范围为0＜y≤0.1。碳化锆钛((ZrTi)C)颗粒增强相中Zr_1-zTi_z)∶C的摩尔比为1∶1，其中Ti的原子摩尔取代量z的取值范围为0＜z≤0.18，碳化锆钛颗粒增强相的含量通过调整原料粉中Ti、Zr、和C的量来控制。原料粉经物理机械方法混合10～25小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为5～20MPa，在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为5～50℃/分钟，烧结温度为1400～1650℃、烧结时间为0.5～2小时、烧结压强为20～40MPa。从而，制备出具有高纯度、高硬度、高强度、高弹性模量、高韧性和高温强度优异等综合性能优越的碳化硅颗粒增强硅铝碳化钛基复合材料。

所述加入的钛粉、锆粉、硅粉、铝粉、石墨粉粒度范围为200～400目；所述烧结方式为热压烧结或热等静压烧结；所述惰性气体为氩气、氦气或氖气；所述物理机械方法混合采用在酒精介质下的球磨法。