[发明专利]一种陶瓷基复合材料的制备方法

说明书

本发明属于陶瓷基复合材料领域，涉及一种陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，首先在陶瓷粉末表面原位生长石墨片作为强化相，然后将陶瓷粉末烧结为陶瓷基复合材料的块材。本发明首先将陶瓷粉末置于化学气相沉积装置中，通过调节气体流量、射频功率、沉积温度和时间等参数，实现了石墨片在陶瓷粉末表面的原位可控沉积；将沉积石墨片后的粉末进行致密化成形，即制备出陶瓷基复合材料。本发明提出的原位沉积方法，确保了石墨片在陶瓷基体中的均匀分散，且具有工艺简单、与增材制造技术的兼容性好等优点。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料领域。

背景技术

陶瓷具有耐高温、高强度、重量轻、抗腐蚀等优异性能，但其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，易产生裂纹，导致材料失效。改进的方法是在陶瓷基体中添加高强度、高弹性的增强相，阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的陶瓷基复合材料，这种材料已广泛应用于火箭发动机喷管、导弹天线罩、航天飞机鼻锥等领域。石墨片具有极其优异的力学、热学和电学特性，杨氏模量高达1060GPa，热导率高达5000Wm^-1K^-1，载流子迁移率高达200000cm2V^-1s^-1，其集众多优异性能于一身的特点，为提高复合材料性能提供了广阔的想象空间，有大量工作研究将石墨片作为增强相添加到陶瓷基体材料中，以期提高它们的力学性能。在这些工作中，主要是通过球磨法和液相混合法实现陶瓷粉末和石墨片的均匀混合，这两种方法存在诸多弊端：球磨过程中会产生剧烈的碰撞，破坏增强相纳米材料的晶格结构，降低其增强效果；液相法中，通常需要在陶瓷粉末表面包覆亲水层，来增强其与石墨片的相互作用，然而在后续步骤中这些亲水层难以彻底清除，从而残留杂质相。

发明内容

本发明的目的是：

提出一种在陶瓷粉末中添加石墨片的新方法，使石墨片均匀分散到陶瓷粉末中，克服球磨法和液相混合法的弊端。

本发明的技术方案是：

一种陶瓷基复合材料的制备方法，首先在陶瓷粉末表面原位生长石墨片作为强化相，然后将陶瓷粉末烧结为陶瓷基复合材料的块材。

优选地，在陶瓷粉末表面原位生长石墨片作为强化相的具体步骤为：在石英管底部平铺一薄层陶瓷粉末，再将石英管与抽真空装置连接；旋转装置驱动石英管以其中心线为轴旋转；将石英管抽真空至低于10^-1Pa后，通入氩气作为保护气体，将石英管加热至500℃～900℃；到达指定加热温度后，通入10sccm～40sccm甲烷气体，打开射频源开始沉积石墨片，射频功率为200W～500W；10min～60min后，关闭射频源及石英管加热，关闭甲烷；待石英管温度降至室温后，取出石英管内的陶瓷粉末。

优选地，将所述陶瓷粉末烧结为陶瓷基复合材料块材的烧结方式为热压烧结或放电等离子体烧结。

优选地，热压烧结条件为：轴向压强20Mpa～50Mpa，温度1200℃～1500℃，时间1h～2h。

优选地，放电等离子体烧结条件为：真空度低于1Pa，轴向压强35Mpa～80Mpa，温度1300℃～1650℃，时间1min～3min。

优选地，所述陶瓷粉末为氧化铝粉或氮化硅粉，其粒径为100nm～100μm。

优选地，所述石墨片的横向尺寸为50nm～5μm。

本发明的有益效果是：

1.由于采用石英管旋转和直接生长的办法，石墨片在陶瓷粉末表面分散均匀且附着力更强、不易团聚。

2.通过优化制备参数，可以控制石墨片的尺寸均一性和晶格完整性；通过调节生长时间控制石墨片的添加量，便于寻找最优添加比例。