[发明专利]一种锆铝硅碳-硼化锆-碳化硅复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及耐超高温陶瓷及其制备方法，特别提供了一种锆铝硅碳-硼化锆-碳化硅(Zr₂[Al(Si)]₄C₅–ZrB₂–SiC)复合材料，以及原位反应热压制备锆铝硅碳-硼化锆-碳化硅复合材料的方法。

背景技术

锆铝硅碳(Zr₂[Al(Si)]₄C₅)陶瓷是新型的耐超高温多元层状碳化物陶瓷(J.SolidState Chem.(固态化学杂志)180(2007)1809;J.Am.Ceram.Soc.(美国陶瓷协会志)(2009))。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，它的强度和韧性偏低，抗氧化性能较差，限制了其广泛应用。通过引入增强相能有效的提高Zr₂[Al(Si)]₄C₅材料的综合性能。目前已有He等通过向Zr₂[Al(Si)]₄C₅基体中引入SiC有效的提高了基体的力学性能和抗氧化性能，(Ling-Feng He,Fang-Zhi Li,Xing-Po Lu,Yi-Wang Bao,Yan-Chun Zhou Microstructure,mechanical,thermal,and oxidation properties of a Zr₂[Al(Si)]₄C₅–SiC composite prepared by in situ reaction/hot-pressing[J].Journal of the European Ceramic Society 30(2010)2147–2154)。但采用一种强韧相，补强增韧机构单一，改性效果有限。顾巍等(顾巍，杨建，丘泰，祝社民。原位合成(TiB₂+TiC)/Ti₃SiC₂复合材料及其性能研究[J].无机材料学报，2010,25(10)：1-6)通过向Ti₃SiC₂基体中同时引入TiB₂和TiC两种增强相，使材料的强度、韧性、硬度、抗氧化性能和抗摩擦磨损性能均得到较大幅度提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合性能好、操作简单、工艺条件容易控制、成本低的锆铝硅碳-硼化锆-碳化硅复合材料，本发明的另一目的是提供上述复合材料的制备方法，可以解决Zr₂[Al(Si)]₄C₅陶瓷硬度、强度、韧性偏低的问题，并提高其抗氧化性能。

本发明的技术方案如下：一种锆铝硅碳-硼化锆-碳化硅复合材料，其特征在于：由Zr₂[Al(Si)]₄C₅基体和ZrB₂、SiC两种增强相组成；其中ZrB₂占复合材料总体积的7.5%~22.5%，SiC占复合材料总体积的2.5%~7.5%。

本发明还提供了上述锆铝硅碳-硼化锆-碳化硅复合材料的制备方法，具体步骤如下：以ZrH₂粉、Al粉、Si粉、C粉和B₄C粉为原料，其中ZrH₂:Al:Si:C:B₄C的摩尔比为2:(2.1-2.6):(0.47-0.71):(2.92-3.54):(0.12-0.41)，原料粉经过物理机械方法混合后装入石墨模具冷压成型，在通有Ar气作为保护气氛的热压炉内烧结，升温速率15-20℃/min，烧结温度1800-1900℃，烧结时间1h-2h、烧结压强为25-30MPa，保温结束后断电随炉冷却。

优选ZrH₂粉、Si粉的粒度均为-400目，Al粉粒度为-200目，C粉的粒度为-1200目，B₄C粉的粒度范围为3~10μm；采用本发明方法获得的锆铝硅碳-硼化锆-碳化硅复合材料大小为64mm×67mm×5.5mm；优选所述物理机械混合方法为滚筒磨球磨；混合时间为10-24h。优选冷压成型施加的压强为3-6MPa。

有益效果：