[发明专利]一种铪铝硅碳-碳化硅复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及耐高温陶瓷及其制备技术，特别提供了一种铪铝硅碳-碳化硅(Hf₂[Al(Si)]₄C₅-SiC)复合材料以及原位反应热压制备铪铝硅碳-碳化硅复合材料的方法。

背景技术

铪铝硅碳(Hf₂[Al(Si)]₄C₅)陶瓷是新型的耐高温、抗氧化的结构材料(Scripta Mater.，(材料快报)62(2010)427)。它综合了高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蚀、高电导率、较强的破坏容忍性等优点。在航空、航天、核工业和超高温结构件等高新技术领域都有广泛的应用前景。但作为一种结构材料，它的硬度、强度和韧性偏低，限制了其广泛应用。引入硬质陶瓷颗粒是提高陶瓷强度的有效方法之一，例如，Wan等人用原位热压生成碳化硅增强钛硅碳复合材料显著的提高了钛硅碳(Ti₃SiC₂)陶瓷的硬度，强度和抗摩擦磨损性能(Ceram.Inter.(陶瓷国际杂志)32(2006)883)。He等人用原位热压生成碳化硅增强锆硅碳复合材料则显著的提高了锆硅碳(Zr₂Al₄C₅)陶瓷的硬度，强度，韧性和抗摩擦磨损性能(J.Eu.Ceram.Soc.，(欧洲陶瓷协会杂志)30(2010)2147)。但是，目前还没有强化Hf₂[Al(Si)]₄C₅方面的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铪铝硅碳-碳化硅(Hf₂[Al(Si)]₄C₅-SiC)复合材料及其制备方法，可以解决铪铝硅碳陶瓷强度和韧性偏低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种铪铝硅碳-碳化硅复合材料，由碳化硅颗粒增强相和铪铝硅碳基体组成，碳化硅颗粒增强相均匀地弥散分布在铪铝硅碳基体中，其中碳化硅颗粒增强相的体积百分数为5～30％，碳化硅颗粒的粒度为6～12μm。

所述铪铝硅碳-碳化硅复合材料的制备方法，具体步骤如下：

1)原料组成及成分范围：

以单质Hf粉、Al粉、Si粉和C粉作为原料，其中Hf∶Al∶Si∶C的摩尔比为2∶(3～4)∶(0.5～3.5)∶(4～9)。

2)制备工艺：

原料经过物理机械方法混合5～50小时，以5～20MPa的压力常温下冷压成饼状，冷压时间1～30分钟，装入石墨模具中，在通有惰性气体(如氩气)作为保护气(或真空下，真空度高于10^-1Pa)的热压炉中以2～50℃/min(优选为5～30℃/min)的升温速率升至1600℃～2400℃原位热压反应0.1～4小时(优选为0.5～2小时)，热压压力为20～40MPa(优选为30MPa)。

本发明中，Hf粉、Al粉、Si粉和C粉的粒度为200～400目；采用本发明方法获得的铪铝硅碳-碳化硅复合材料尺寸为Φ(25～60)mm×(5～50)mm；所述物理机械方法采用在酒精介质中球磨。

本发明的特点是：

1.本发明选用原料简单，分别是Hf粉、Al粉、Si粉和C粉。

2.本发明采用原位反应热压方法，烧结与致密化同时进行，可以获得致密的铪铝硅碳-碳化硅两相复合材料，复合材料力学性能好、纯度高、操作简单、工艺条件容易控制、成本低。

3.采用本发明方法获得的复合材料在室温下比单一的铪铝硅碳陶瓷具有更高的硬度、强度和断裂韧性，并可以在高于1600℃的超高温使用。

附图说明

图1为Hf₂[Al(Si)]₄C₅-20vol.％SiC复合材料的X-射线衍射图谱。

图2为Hf₂[Al(Si)]₄C₅-30vol.％SiC复合材料的X-射线衍射图谱。

图3(a)-(b)分别为Hf₂[Al(Si)]₄C₅-30vol.％SiC复合材料的抛光腐蚀表面和弯曲断面的扫描电镜照片。