[发明专利]一种层状碳化硅/碳化锆超高温陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超高温陶瓷的制备技术领域，具体涉及一种层状碳化硅/碳化锆超高温陶瓷的制备方法。

背景技术

层状复合结构设计是陶瓷增韧的方法之一，它是一种以贝壳等生物材料为原型的仿生机构设计。通常层状复合陶瓷是在脆性的陶瓷层间加入不同材质或较韧的夹层制成。这种结构的材料在应力场中是一种能量耗散结构，能克服陶瓷突发性断裂的致命弱点。碳化硅与碳化锆超高温陶瓷复合材料具有耐高温，耐腐蚀，耐氧化等优点，近年来是国际上超高温陶瓷的研究热点。而碳化硅与碳化锆复合陶瓷材料脆性大，韧性不高，限制了它的应用。现在最常见的碳化硅碳化锆增韧方式是利用纤维增韧。目前很少有人利用层状结构增韧碳化硅/碳化锆超高温陶瓷复合材料。

目前大部分层状陶瓷的研究都局限于软性夹层增韧，软性夹层大部分采用金属夹层，而金属在超高温环境下容易发生界面反应。中国专利（CN101844925A）提供了一种流延法制备多层硼化锆-碳化硅复相超高温陶瓷材料的工艺，克服了软性夹层增韧的局限性，但是该方法在流延过程中，易产生气泡，影响材料的性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种层状碳化硅/碳化锆超高温陶瓷的制备方法，本发明在现有的超高温陶瓷的制备方法基础上，提供了一种层状陶瓷的增韧方法，且材料表面光滑致密性好，制备的超高温陶瓷断裂韧性好、高温抗氧化性能优异。

本发明所采用的技术方案为：

本发明提供了一种层状碳化硅/碳化锆超高温陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

a.流延法制备碳化硅流延片和碳化锆流延片

将碳化硅粉料或碳化锆粉料，同聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇和乙醇按质量比15:2-6:2-6:75-80混合均匀，在60℃水浴中超声分散1h，形成流延浆料，向流延浆料中加入正丁醇，混合均匀，然后采用流延法分别流延成型制备得600-800μm厚的碳化硅流延片和碳化锆流延片；

d.排胶

将碳化硅和碳化锆流延片剪切后交替叠片，在真空，600℃条件下，保温1-1.5小时，得层状陶瓷坯体；升温速度为5-10℃/分钟；

e.真空烧结

将上述层状陶瓷坯体在真空气氛、1650-1700℃、压力为10-20MPa条件下，保温1-1.5小时，冷却即得所述层状碳化硅/碳化锆超高温陶瓷；升温速率为5-10℃/分钟。

所述的碳化硅粉料或碳化锆粉料同聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇、乙醇更为优化的质量比为：15：4：4：77；碳化硅粉料粒径为0.8-10μm、碳化锆粉末粒径为25-35nm。

步骤b中所述的正丁醇的加入量为流延浆料总质量的0.5-1.0%。

本发明还提供了一种通过上述方法制备的层状碳化硅/碳化锆超高温陶瓷。

所述层状碳化硅/碳化锆超高温陶瓷由100-300μm厚的碳化硅层和50-100μm厚的碳化锆层组成；该陶瓷的断裂韧性为8.5-10MPa·m^1/2，密度为2.3-2.5g/cm³。

步骤a所述的流延浆料具体为：将碳化硅粉料，同聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇和乙醇按质量比15:2-6:2-6:75-80混合均匀，在60℃水浴中超声分散1h，形成碳化硅的流延浆料，然后利用流延法制备的碳化硅流延片；将碳化锆粉料，同聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇和乙醇按质量比15:2-6:2-6:75-80混合均匀，在60℃水浴中超声分散1h，形成碳化锆的流延浆料，加入适量正辛醇，然后利用流延法制备的碳化锆流延片。

本发明使用聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇和乙醇体系，传统的粘结剂聚乙烯缩丁醛在非氧化性气氛中易于碳化，烧结气氛要求高，否则可能有残留碳，本发明所采用的粘结分散体系高聚物大分子的空间位阻稳定性好，在聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇双重作用下，降低流延浆料的表面张力，达到良好的润湿效果，制得的流延浆料的分散效果佳。

本发明中利用超声分散技术制备得到的流延浆料分散性好，较传统的搅拌形式，能够避免浆料因搅拌产生的气泡，同时，超声使得浆料的悬浮性能好，加入正丁醇，可以减少表面层的表面活性浓度，减弱泡沫的稳定性，在真空条件下，能够去除浆料中气泡，制备得到的流延片致密性、气孔率和机械强度均有明显的提高。