[发明专利]一种超高温CNTs/TiB2‑SiC陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于特种陶瓷材料制备技术领域，涉及一种超高温CNTs/TiB₂-SiC陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

现阶段，防热材料主要分为烧蚀类和非烧蚀类两种，随着高超声速飞行器高速、长时间和可重复使用的发展需求，对防热材料结构完整性提出了更高的要求，以超高温陶瓷材料(UHTC)为代表的低/微烧蚀型防热材料成为未来高超声速飞行器关键部位防热材料的首要候选材料之一。代表性的有ZrB₂基和HfB₂基，但经过近十年的发展，尽管在耐温性和烧蚀型方面有所突破，但其抗热冲击性能一直制约其发展，断裂韧性无法突破5MPa·m^1/2。

二硼化钛(TiB₂)属于六方晶系C32型准合金化合物，原子结合方式是共价键和粒子键的混合，该键能方式决定了TiB₂材料表现出陶瓷和金属的双重特性，具有高熔点、高强度、高硬度和化学稳定性，成为当下新型非烧蚀防热材料的研究热点。通过添加物和增韧方式，有望突破热冲击性能的束缚。

本发明针对当下面临的实际问题，利用放电等离子烧结(SPS)成型工艺，提供了一种超高温CNTs/TiB₂-SiC陶瓷复合材料及其制备方法，获得了一种耐高温、抗烧蚀、抗热冲击性的高韧性防热材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SPS快速烧结CNTs/TiB₂-SiC陶瓷复合材料的制备方法以及采用该方法获得的具有耐高温、抗烧蚀、抗热冲击性的高韧性防热材料。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

1.一种超高温CNTs/TiB₂-SiC陶瓷复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1：混合步骤，首先对硼化钛粉末、碳化硅粉末和碳纳米管粉末进行混合，得到二硼化钛、碳化硅和碳纳米管的混合粉料；和

S2：烧结步骤，通过放电等离子烧结成型工艺烧结所述混合粉料，得到所述CNTs/TiB₂-SiC陶瓷复合材料。

2.如技术方案1所述的方法，其中，S1步骤如下：

S11：混料步骤，将二硼化钛粉末、碳纳米管粉末和碳化硅粉末混合并干燥，得到经干燥的混合粉料；和

S12：研磨，将所述干燥的混合粉料研磨和过筛，得到混合均匀的混合粉料。

3.如技术方案1或2所述的方法，其中：

所述二硼化钛粉末的平均粒度为10nm至50nm，优选为20nm；和/或，所述碳化硅粉末的平均粒度为40nm至80nm，优选为50nm；和/或，所述碳纳米管粉末的平均粒度为10nm至50nm，优选为20nm；

进一步优选的是，所述二硼化钛粉末的体积分数为55％～70％；和/或，所述碳化硅粉末体积分数15％～20％；和/或，所述碳纳米管粉末的体积分数为10％～25％。

4.如技术方案1至3中任一项所述的方法，其中，S11步骤通过如下方式进行：

通过球磨机优选为行星式球磨机利用二氧化锆球并且以无水乙醇为分散介质对二硼化钛粉末和碳化硅粉末进行球磨分散，由此得带二硼化钛和碳化硅分散体；优选的是，球质比10：1；进一步优选的是球磨5至7小时，更优选的是球磨6小时；

将所述碳纳米管粉末分散至无水乙醇中，利用超声波震荡0.5至2小时，更优选为振荡1小时，从而得到碳纳米管分散体；

将所述二硼化钛和碳化硅分散体与所述碳纳米管分散体混合，再继续湿磨2至6小时，优选湿磨4小时，得到二硼化钛、碳化硅和碳纳米管的复合浆料；

将所述复合浆料干燥，优选的是置于蒸发器上蒸发烘干，得到经烘干的混合粉料；以及

将所述经烘干的混合粉料置于恒温干燥箱于80℃干燥24小时。

5.如技术方案1至4中任一项所述的方法，其中，S12通过如下方式进行：使用玛瑙研钵对S11步骤中得到的经干燥的混合粉料进行研磨和过100目的筛子。

6.如技术方案1至5中任一项所述的方法，其中，S2步骤通过如下方式进行：通过放电等离子烧结方法将二硼化钛、碳化硅和碳纳米管的混合粉料于真空或惰性气氛中烧结，然后冷却至室温，由此得到所述CNTs/TiB₂-SiC陶瓷复合材料。

7.如技术方案6所述的方法，其中，烧结压力30Mpa至50Mpa，更优选为20Mpa。