[发明专利]纳米复合碳化硅陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅陶瓷及其制备方法，具体的说，是一种纳米复合碳化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷作为一种高温结构陶瓷，具有许多优良特性，如耐磨性、高导热性和电气绝缘性、半导体性和电导性、耐热、耐腐蚀以及高温力学和热学性能优良等。碳化硅陶瓷已经被广泛地应用于机械、电子、石油化工、冶金等工业领域以及国防工业，并被国际上确认为自金属、氧化铝、硬质合金以来的第四种基本材料。虽然碳化硅陶瓷具有许多性能，也在很多领域得到应用，但其室温强度低、韧性不够、成型比较困难，从而限制了它的应用。与此同时，高速发展中的国防、空间技术、汽车、能源等众多领域对结构材料不断提出新的要求。因此只有采用各种增强增韧手段制备碳化硅基复合材料，提高其强度及韧性，才能更好地满足碳化硅陶瓷在国防、空间技术等尖端领域应用的要求。制备高强、高韧、高硬、耐腐蚀、耐高温、耐磨等多种特性于一体的性能优异的碳化硅陶瓷复合材料，成为碳化硅陶瓷材料研究和发展的主流。

纳米科技作为一种新兴的科学技术，正越来越多得引起人们的关注和重视。由于纳米材料具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应等一些基本特性，导致了纳米材料在熔点、蒸汽压、相变温度、光学性质、化学反应性质、磁性、超导及塑性变形等许多物理和化学等方面都显示出特殊的性能。纳米陶瓷由于晶粒尺寸很小，使得材料表现出很多优异的特性，如常温超塑性、在保持原来常规陶瓷材料断裂韧性的同时强度提高、烧结温度降低等。但陶瓷材料在高温处理时必然出现的晶粒重结晶给单相纳米陶瓷材料的制备带来障碍，纳米复相陶瓷的构想应运而生。纳米复相陶瓷将异质相纳米颗粒均匀地弥散在陶瓷基体中，可以同时起到对材料的强化与增韧的效果。纳米颗粒在陶瓷基体中通过对基体晶界的钉扎、强化作用及在基体晶界中形成位错网来增加陶瓷材料的强度，通过裂纹桥连、裂纹偏转、裂纹弯曲来增加陶瓷材料的韧性。

虽然纳米复相陶瓷材料的开发以及增韧增强理论及方法得到很好的发展，但仍然存在以下问题：

1)机械混合法是目前应用最多、最简便的制备复合粉体的方法，但由于纳米粉体有较大的比表面积，在球磨之后的干燥过程中，极易产生团聚、沉降，导致纳米颗粒不能均匀分散，最终将影响纳米复相陶瓷的性能。

2)目前纳米复相陶瓷的烧结较多的使用热压烧结、热等静压烧结、放电等离子体烧结等烧结方式，这些方式对烧结设备有很高的要求，而且工艺复杂，成本高，很难实现产业化生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种纳米复合碳化硅陶瓷及其制备方法，该方法工艺简便、低成本，采用该方法制备的碳化硅陶瓷具有硬度高、抗弯强度大、断裂韧性优良等特性。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种纳米复合碳化硅陶瓷的制备方法，以重量百分比为75％～85％的碳化硅、5％～10％的钇铝石榴石和10％～15％的纳米颗粒组成主原料，依次包括以下步骤：

1)、将上述主原料、粘结剂、水溶性高分子混合物溶胶和分散剂加入去离子水中，球磨混合5～20小时后，配制成固相含量为30％～60％水基碳化硅浆料；所述粘结剂、水溶性高分子混合物溶胶和分散剂的重量分别是主原料的0.5％～3％、0.5％～2％和0.5％～1.5％；

2)、采用喷雾造粒工艺对上述水基碳化硅浆料进行喷雾干燥，得碳化硅造粉粒；浆料流量为3～7Kg/h，热风进口温度为200～250℃；

3)、对上述碳化硅造粉粒采用100MPa干压预压和250MPa冷等静压终压的二步方式成型，获得高密度的碳化硅素坯；

4)将上述碳化硅素坯放在真空无压烧结炉中，升温至1900～2000℃保温0.5～1小时，再降温至1760～1850℃保温0.5～5小时，烧结结束，得纳米复合碳化硅陶瓷。

作为本发明的纳米复合碳化硅陶瓷的制备方法的改进：纳米颗粒为纳米碳化硅、纳米碳化钛和纳米氮化钛中的至少一种。粘结剂为酚醛树脂或糊精，水溶性高分子混合物溶胶为聚乙烯醇(PVA)，分散剂为聚乙二醇(PEG)或四甲基氢氧化铵(TMAH)。

在本发明中，固相含量为30％～60％水基碳化硅浆料指的是：(主原料+粘结剂+水溶性高分子混合物溶胶+分散剂)÷(主原料+粘结剂+水溶性高分子混合物溶胶+分散剂+去离子水)＝30％～60％。

本发明还同时提供了按照上述任意一种方法所制备的纳米复合碳化硅陶瓷。

本发明的纳米复合碳化硅陶瓷的制备方法，具有以下优点：