[发明专利]ZrB2基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料领域，具体涉及一种耐超高温陶瓷基复合材料的制备方法。

背景技术

耐超高温陶瓷（Ultra-high Temperature Ceramic，UHTC）是指熔点超过3000℃的难熔金属硼化物、碳化物，如TiB₂、ZrB₂、TaB₂、HfB₂、TaC、HfC、ZrC等。这类陶瓷不仅具有高熔点，而且在氧化性气氛下还能形成B₂O₃和ZrO₂保护层，因此具有良好的耐高温抗氧化性能。此外，这类材料还具有良好的机械性能和热物理性能。其中，ZrB₂作为一种优良的特种陶瓷材料，因具有高硬度、高熔点、良好的导电导热性和极好的抗腐蚀性，以及良好的中子控制能力等特点，而在高温结构陶瓷材料、耐火材料、电极材料、核控材料和太阳能吸收膜等方面受到人们的重视。

目前，对于ZrB₂基复合材料的制备方法主要有热压法、自蔓延高温合成、放电等离子烧结法等。由于ZrB₂材料具有很强的共价键结合，而且熔点在3000℃以上，这些方法对设备要求高、工艺难度大、不利于工业化生产。反应熔渗法自1988年发明以来，主要用于液相渗硅制备SiC基复合材料，其机理是在高温下在毛细管力及反应驱动力的作用下，熔融硅浸渍进入多孔预制体，反应生成SiC基复合材料。近年来熔渗反应工艺得到人们的广泛关注，国外有文献报道采用熔渗反应工艺制备难熔金属-碳化物复合材料，还有报道采用纯金属锆与B₄C粉直接反应制备片状增韧ZrB₂-ZrC陶瓷材料，但目前还未见有采用熔渗反应工艺制备ZrB₂基复合材料的相关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种制备温度较低、成本低、且产品具有高致密性、高力学性能、耐高温性的ZrB₂基复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种熔渗反应制备ZrB₂基复合材料的方法，包括以下步骤：

（1）制备多孔刚性预制体：称取B粉和粘结剂聚碳硅烷，或称取B粉、填料SiC和粘结剂聚碳硅烷，将称取的原料通过球磨混合，经模压或交联方式成型后，高温裂解，得到多孔刚性预制体；

（2）制备含锆合金：以金属锆和金属铜，或金属锆和单质硅为主要原料，通过熔炼，制得含锆合金；

（3）熔渗反应：以所述多孔刚性预制体为基材，以所述含锆合金为熔渗剂，经过熔渗反应，得到ZrB₂基复合材料半成品；

（4）高温处理：用B粉或SiC粉包埋所述ZrB₂基复合材料半成品，高温处理，得到ZrB₂基复合材料。

作为对上述技术方案的进一步改进，制备所述多孔刚性预制体的原料为B粉和粘结剂聚碳硅烷时，二者的质量配比优选为（2.3～19）∶1。

作为对上述技术方案的进一步改进，制备所述多孔刚性预制体的原料为B粉、填料SiC和粘结剂聚碳硅烷时，三者的质量百分数优选为：B粉30%～95%，填料SiC 0～40%，聚碳硅烷5%～30%。

上述各技术方案中，所述高温裂解的工艺参数优选为，裂解温度1000℃～1600℃，裂解保护气氛为氩气或真空，裂解时间为0.5h～1h。

上述各技术方案中，以锆和铜作为制备含锆合金的原料时，二者的质量配比优选为（0.6～9）∶1。

上述各技术方案中，以锆和单质硅作为制备含锆合金的原料时，二者的质量配比优选为（11.5～49）∶1。

上述各技术方案中，所述熔炼方式优选为电弧熔炼或真空感应熔炼。

上述各技术方案中，所述熔渗反应的具体工艺优选为：以所述熔渗剂包埋所述基材，在真空或氩气气氛中加热1100℃～1600℃，保温0.5h～5h后，将复合材料与熔融金属分离，得到ZrB₂基复合材料半成品。

上述各技术方案中，所述高温处理的工艺参数优选为，加热温度1400℃～1800℃，保护气氛为真空或氩气，保温时间1h～3h。

与现有技术相比，本发明制备ZrB₂基复合材料的方法，具有制备温度较低，工艺简单，操作方便，对生产设备要求低，成本小的优点，能取得以下技术效果：