[发明专利]一种提高ZrB2-SiC超高温陶瓷材料抗热冲击和强度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高陶瓷材料抗热冲击和强度的方法。

背景技术

二硼化锆基陶瓷具有高熔点、高硬度、导电导热性好、良好的中子控制能 力等特点，可广泛应用于高温结构陶瓷、复合材料、电极材料、薄膜材料、耐 火材料、核控制材料等领域。超高温陶瓷材料是指在高温环境及反应气氛中能 够保持物理和化学稳定性的一种特殊陶瓷材料。这类材料主要包括过渡金属硼 化物、碳化物以及氮化物，其熔点均超过3000℃。其中，过渡金属硼化物凭 借其高的熔点、热导率、弹性模量以及优异的化学稳定性，已成为最有优势的 高温结构陶瓷材料，在高超声速飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进 系统等极端环境中有着广泛的应用前景。其使用对象包括飞行器鼻锥、翼前缘、 发动机热端等各种关键部位或部件。

但是二硼化锆基超高温陶瓷和其他陶瓷类似，具有高的脆性，抗热冲击性 能差，在快速的温度改变和高的温差作用下，容易发生因热应力引起的热冲击 破坏，这严重的限制了二硼化锆基超高温陶瓷在极端环境下(快速的温度改变 和高的温差)的应用。此外，由于二硼化锆基超高温陶瓷材料在加工过程中不 可避免的引入微观缺陷，使得陶瓷材料的强度低，当陶瓷材料在受到外力作用 下时，在缺陷处产生应力集中，使陶瓷材料在低于自身强度的时候就发生灾难 性的破坏。

发明内容

本发明为了解决现有二硼化锆基超高温陶瓷材料抗热冲击性能差、强度差 的问题，而提供了一种提高ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料抗热冲击和强度的方法。

本发明提高ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料抗热冲击和强度的方法按照以下步骤 进行：一、按照重量份数比称取70～85份的硼化锆粉，15～30份的碳化硅粉； 二、将步骤一称取的硼化锆粉和碳化硅粉置于星式球磨机中混合分散，分散介 质为无水乙醇，球磨机的转速为180～200r/min，球磨质量比为4∶1，无水乙 醇的加入量为硼化锆粉和碳化硅粉混合后总质量的3～5倍；三、将步骤二得到 的混合物置于60～65℃条件下烘干得到混合粉料；四、混合粉料置于石墨模具 中，在真空或惰性气氛中进行烧结，烧结温度为1900～2000℃，烧结压力为 28～32MPa，烧结时间为40～60min，然后冷却至室温得到试样；五、将试样 表面进行抛光处理，然后将试样放入马弗炉中，在1250～1450℃的空气环境下 氧化20～60min；六、将氧化后的试样加热到200～400℃，保温8～10min，即提 高了ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料抗热冲击和强度。

本发明的方法通过预先氧化法，在二硼化锆基超高温陶瓷材料表面生成一 层致密的氧化膜，弥合材料在制备和加工工程中的微观缺陷，同时由于氧化导 致表面产生压应力，使得材料的强度有较大幅度的提高。氧化膜具有较低的导 热率，其可以降低二硼化锆基超高温陶瓷材料与所使用环境的热交换系数，进 而提高了陶瓷材料的抗热冲击性能。本发明方法得到的ZrB₂-SiC超高温陶瓷 材料与现有的二硼化锆基超高温陶瓷材料相比较，抗热冲击性能提高了50％ 左右，力学性能提高了30％左右，本发明的方法有效的提高了ZrB₂-SiC超高 温陶瓷材料抗热冲击和强度。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式提高ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料抗热冲击和强 度的方法按照以下步骤进行：一、按照重量份数比称取70～85份的硼化锆粉， 15～30份的碳化硅粉；二、将步骤一称取的硼化锆粉和碳化硅粉置于星式球磨 机中混合分散，分散介质为无水乙醇，球磨机的转速为180～200r/min，球磨质 量比为4∶1，无水乙醇的加入量为硼化锆粉和碳化硅粉混合后总质量的3～5 倍；三、将步骤二得到的混合物置于60～65℃条件下烘干得到混合粉料；四、 混合粉料置于石墨模具中，在真空或惰性气氛中进行烧结，烧结温度为 1900～2000℃，烧结压力为28～32MPa，烧结时间为40～60min，然后冷却至室 温得到试样；五、将试样表面进行抛光处理，然后将试样放入马弗炉中，在 1250～1450℃的空气环境下氧化20～60min；六、将氧化后的试样加热到 200～400℃，保温8～10min，即提高了ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料抗热冲击和强 度。