[发明专利]二硼化锆及其复相超高温陶瓷材料的凝胶注模成型方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷材料的成型方法，具体地说就是一种凝胶注模成型制备二硼化锆及其复相超高温陶瓷材料的方法。

背景技术

高性能陶瓷材料(如氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅和硼化锆硼化钛等)一般都具有高强度、高硬度、耐高温和耐腐蚀等一系列优异的机械性能和良好的化学稳定性，从而在现代科技与工业领域(如航空航天、化工、信息电子、生命科学和国防工业等)中的应用越来越多。随着高性能陶瓷材料应用领域的不断拓展和现代科技的发展，各行业对所使用陶瓷材料部件的形状、尺寸以及精度都提出了更高的要求，主要体现在大尺寸、高精度和复杂形状陶瓷部件等。然而，传统的陶瓷成型方法在满足这些要求上存在着较大的问题，如干压、等静压等容易在成型坯体中引入气孔、裂纹、分层和密度不均匀等缺陷，导致产品的可靠性降低；注浆成型存在成型周期长、干燥收缩大、素坯强度低、素坯密度分布不均匀、成品率低以及烧成变形大，尺寸精度低等缺点，不利于复杂样品的制备；注射成型工艺有机物含量高，脱粘时间长且容易形成缺陷，同时成本较高。因此，一种可靠的成型高性能陶瓷部件的工艺成为促进其应用的关键。

为了解决这些问题，1991年美国橡树岭实验室的Janney和Omatete等提出了凝胶注模(Gelcasting)成型方法(见美国专利NO：5028362)。其基本原理是在高固相含量(一般大于50vol％)、低粘度的稳定陶瓷浆料中，加入有机单体和交联剂，当再加入少量引发剂和催化剂并浇注后，浆料中的有机单体在一定温度条件下发生原位聚合反应，形成坚固的三维网状结构，从而使陶瓷粉体原位固化成型，得到均匀、高强度和近净尺寸的陶瓷坯体。然后进行干燥、脱粘、烧结即可得到所需要的陶瓷部件。

超高温陶瓷(UHTCs)材料是一类具有较高熔点(＞3000℃)以及其他优良高温性能的过渡金属的硼化物和碳化物陶瓷材料。二硼化锆作为超高温陶瓷材料中的一种，它具有高熔点，高的杨氏模量(～500GPa)、硬度(～23GPa)、电导(1.0×10⁷S/m)、热导率(＞60W·(m·K)^-1)和良好的抗化学侵蚀和抗氧化能力以及较低的密度(6.09g/cm³)。这些优异的综合性能使得以ZrB₂作为主相的复相UHTCs陶瓷材料在航空航天等高温材料应用中有很大的吸引力，例如航天飞行器的机翼前缘，可重复使用的再进入大气层飞行器的热防护系统，超音速飞行器以及火箭推进系统的高温部件等。另外，它们目前已经在高温电极材料和坩锅材料等中得到了初步的应用。

然而，一方面，由于ZrB₂基UHTCs材料的使用环境一般要求其具有较为复杂的形状，另一方面，材料本身的高硬度导致烧结后材料加工的高耗时和高成本，从而阻碍了其应用，而凝胶注模成型方法最大的优点就是可以直接制备具有复杂形状的大尺寸陶瓷构件，大大降低后期的加工费用，为材料的广泛应用提供了可能。

目前，凝胶注模成型方法已经在多种陶瓷体系中成功实现。如Al₂O₃、ZrO₂等氧化物体系，SiC，TiC，B₄C等碳化物体系，Si₃N₄、Al₄N₃等氮化物体系以及一些生物陶瓷(羟基磷灰石)和电子陶瓷领域等等。

经过文献调研，目前关于用凝胶注模成型方法制备ZrB₂及其复相超高温陶瓷材料鲜有报道，因此，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ZrB₂及其复相基超高温陶瓷材料的凝胶注模成型方法，亦即提供一种湿法成型制备具有复杂形状的ZrB₂及其复相超高温陶瓷材料的工艺，解决传统陶瓷成型方法存在的缺点，降低其后期加工成本和提高材料的可靠性，促进其应用。