[发明专利]一种纳米晶碳化钽增强硅硼碳氮复相陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种纳米晶碳化钽增强硅硼碳氮复相陶瓷材料及其制备方法，上述制备方法包括以下步骤：S1：制备纳米晶碳化钽粉体；S2：按照预设比例将所述纳米晶碳化钽粉体、六方氮化硼、立方硅粉和石墨混合，后高能球磨，得到复合粉体；S3：将复合粉体热压烧结，制得纳米晶碳化钽增强硅硼碳氮复相陶瓷材料。本发明以硅硼碳氮陶瓷为基体，添加碳化钽增强相制备成纳米晶碳化钽增强硅硼碳氮复相陶瓷材料，超高温相碳化钽颗粒以纳米晶的形式均匀分散于非晶的硅硼碳氮基体当中，可起到钉扎裂纹扩展的作用，提高硅硼碳氮陶瓷的力学性能，同时碳化钽的超高温性质对硅硼碳氮陶瓷进行补强，提高复相陶瓷材料的耐高温性能，使其在可在更高的温度下服役。

技术领域

本发明涉及陶瓷领域，具体而言，涉及一种纳米晶碳化钽增强硅硼碳氮复相陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

航空航天技术的飞速发展，对高温结构材料的服役性能提出了更为苛刻的要求。近年来，硅硼碳氮陶瓷作为一种新型的四元结构陶瓷，其自身的共价结构赋予其良好的热稳定性、抗高温氧化、抗蠕变性能；加上硅硼碳氮陶瓷具有较低的弹性模量、良好的抗热震性能以及密度较小等优势，使其在航空航天领域具有十分广阔的应用前景。

然而硅硼碳氮(SiBCN)陶瓷在高温时，热损伤较为严重，而且硅硼碳氮陶瓷本质的脆性，大大限制了在超高温领域的广泛应用。因此，向硅硼碳氮陶瓷基体中引入超高温相，以提高硅硼碳氮陶瓷的抗高温性能是一种研究方向。

碳化钽(TaC)具有高熔点(3880℃)、高硬度(20GPa)、高弹性模量(450GPa)、良好的导热性、耐化学腐蚀、良好的抗热冲击性能等优势，以其作为添加相在C、SiC等基体中使用，其对基体材料力学性能的增强以及抗高温性能的提高均发挥了明显效果。而将碳化钽引入硅硼碳氮陶瓷基体中，与硅硼碳氮组成复相陶瓷，至今暂无报道。

发明内容

本发明解决的问题是：如何提高硅硼碳氮陶瓷强度、韧性和抗高温性能，使其在更多领域得到应用。

为解决上述问题，本发明提供了一种纳米晶碳化钽增强硅硼碳氮复相陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：制备纳米晶碳化钽粉体；

S2：按照预设比例将所述纳米晶碳化钽粉体、六方氮化硼、立方硅粉和石墨混合后高能球磨，得到复合粉体；

S3：将所述复合粉体热压烧结，即制得纳米晶碳化钽增强硅硼碳氮复相陶瓷材料。

可选的，所述纳米晶碳化钽粉体的粒径范围小于20nm。

可选的，步骤S2中，所述纳米晶碳化钽粉体的质量占所述复合粉体质量的1％～50％。

可选的，步骤S2中，所述立方硅粉、所述六方氮化硼、所述石墨的摩尔比为Si：BN：C＝(0.8～1.2)：(1.5～2.5)：(2.8～3.5)。

可选的，步骤S1中，所述制备纳米晶碳化钽粉体的具体步骤包括：在氩气保护下，将粒径为1～5μm的碳化钽颗粒和磨球置于球磨机中进行球磨，制得所述纳米晶碳化钽粉体；其中，球磨条件为：球料比为(10～40)：1，主盘转速为200～400r/min，行星盘转速为500～1000r/min，球磨时间为10～100h。

可选的，步骤S2中，所述高能球磨条件为：球料比为(10～40)：1，主盘转速为200～400r/min，行星盘转速为500～1000r/min，球磨时间为10～100h。

可选的，所述热压烧结的工艺条件包括：烧结温度为1500～2300℃，烧结压力为20～80Mpa，烧结时间为20～90min，保护气氛为氮气或氩气或真空条件。

本发明的另一目的在于提供一种纳米晶碳化钽增强硅硼碳氮复相陶瓷材料，采用上述所述的纳米晶碳化钽增强硅硼碳氮复相陶瓷材料制备方法制得。