[发明专利]一种自愈合氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自愈合氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

陶瓷材料具有很多优异的性能，诸如耐高温、耐腐蚀、耐摩擦损耗等。它的功能材料具有独特的电学性能、磁学性能、铁电压电性能等。但是陶瓷材料的一个共同的缺陷就是它的脆性。碳化硅因其优异的力学和抗氧化性能已成为降低氧化铝陶瓷脆性、增韧补强相的最佳选择之一。从20世纪80年代Al₂O₃-SiC复合材料的研究就得到极大重视，研究集中在力学行为、化学稳定性以及抗热震性能研究，但对高温表面裂纹自愈合过程研究较少，目前研究陶瓷材料裂纹愈合的人主要集中在日本。

对于裂纹愈合的机理，现在研究的比较多，不同材料也有所不同.工程材料主要是基于氧化反应原理，象不锈钢、铝合金等金属表面能形成氧化膜，从而防止材料的进一步氧化，起到保护、防腐蚀作用。目前对于陶瓷材料裂纹愈合机理表诉说法不同，大体可分为三种：1、吸附机理：当断裂面粘合在一起时，由于原子间力作用引起界面见的原子间结合。2、扩散机理：由局部表面曲度变化程度所驱动，它是靠材料表面长程原子重排来实现的。3、化学反应机理：在愈合温度下，发生一些化学反应，通过生成物的迁移及对裂纹的填充，使裂纹产生愈合现象。不同的陶瓷材料愈合机理有所不同，但是主要以化学反应机理影响最大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能大大降低陶瓷产品的废品率和提高可靠性，提高抗弯强度，延长使用寿命的自愈合氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种自愈合氧化铝基陶瓷复合材料，其特征在于其按重量分数计组成包括：5％-20％的碳化硅或碳化钛，1.0％-2.0％的氧化锆，1.0％-2.0％的氧化镁，2.0％-5.0％的铝粉，0.5％-3％的甲基纤维素，为余量的氧化铝粉；其裂纹自愈合处理条件是在800℃-1200℃温度下，保温1h-3h。

一种自愈合氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于制备过程包括的步骤：

1)按重量百分比称5％-20％的碳化硅或碳化钛，1.0％-2.0％的氧化锆，1.0％-2.0％的氧化镁，2.0％-5.0％的铝粉，0.5％-3％的甲基纤维素，68％-90.5％的氧化铝粉球磨混合，模压成型；

2)将复合陶瓷前躯体以3℃-6℃/min升温到800℃，保温半小时，再以2℃-4℃/min加热速度加热到1500℃-1800℃，保温0.5-3h。

本发明的自愈合氧化铝基陶瓷复合材料，裂纹愈合的过程机理如下：在空气中加热条件下，首先氧向裂纹尖端传输和在裂纹表面吸附，随着加热温度的升高，氧与碳化硅反应，生成玻璃相的SiO₂，会填充裂尖及沿裂纹面铺展，随着温度进一步升高和保温时间的延长，玻璃相SiO₂与基体Al₂O₃反应生成莫来石相3Al₂O₃·2SiO₂，对裂纹进一步填充。通过这种处理方法不仅会使裂纹愈合，而且致密的莫来石相的热膨胀系数小于基体氧化铝材料的热膨胀系数，就使得热处理后复合材料表面层处于残余压应力状态，进一步提高了材料的强度。

本发明的自愈合氧化铝基陶瓷复合材料，能有效克服陶瓷材料固有的脆性，通过添加碳化硅晶须不仅起到了增强陶瓷材料作用，更重要的是在陶瓷裂纹自愈合中通过一系列反应碳化硅起到了填充裂纹的作用。本发明将对提高陶瓷产品质量，降低产品废品率，为企业降本增效起到重要的作用。

具体实施方式

一种自愈合氧化铝基陶瓷复合材料，按重量分数计，其成分由5％-20％的碳化硅，1.0％-2.0％的氧化锆，1.0％-2.0％的氧化镁，2.0％-5.0％的铝粉，0.5％-3％的甲基纤维素，68％-90.5％的氧化铝粉组成；裂纹自愈合处理条件是，加温800℃-1200℃，保温1h-3h.

具体制备过程的步骤如下：

1)按重量百分比称5％-20％的碳化硅或碳化钛，1.0％-2.0％的氧化锆，1.0％-2.0％的氧化镁，2.0％-5.0％的铝粉，0.5％-3％的甲基纤维素，68％-90.5％的氧化铝粉球磨混合，模压成型；

2)将复合陶瓷前躯体以3℃-6℃/min升温到800℃，保温半小时，再以2℃-4℃/min加热速度加热到1500℃-1800℃，保温0.5-3h。由于配料中没有挥发性材料，烧结后陶瓷复合材料的成分不会变化。