[发明专利]一种碳纤维增韧的氮化硅陶瓷复合材料及其制备工艺

说明书

本发明属于功能陶瓷材料制造技术领域，涉及一种碳纤维增韧的氮化硅陶瓷复合材料及其制备工艺。该材料以氮化硅为基体材料，除基体材料外，复合材料的成分还包括碳纤维、镍、硅化镍、碳化硅。本发明的复合陶瓷材料采用热压烧结的方法制备，部分成分是在热压烧结过程中形成，其中，镍为辅助粘结相，硅化镍和碳化硅为颗粒弥散相。该陶瓷复合材料具有优异的抗崩裂强韧性，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种碳纤维增韧的氮化硅陶瓷复合材料及其制备工艺，属于功能陶瓷材料制造技术领域。

背景技术

陶瓷具有较高的熔点、弹性模量、硬度以及优良的化学稳定性。可是，因为其自身的脆性，严重地阻碍了它在实际中的使用。因此，改良陶瓷材料的脆性、提高其韧性就成为了陶瓷材料扩大其应用范围所必需克服的问题。

氧化铝基陶瓷因其来源丰富，制造成本低廉，适合进行大规模的生产并且具有优越的力学性能、耐高温性能和化学稳定性，是目前应用最为广泛的陶瓷原料之一。氮化硅基陶瓷材料因其较高的强度、硬度，较低的密度，以及良好的抗氧化性、化学稳定性、抗热振性等性能广泛地应用于切削加工、工程机械、矿山冶金、军工等多个领域，具有极高的应用价值价值。与氧化铝基陶瓷材料相比，氮化硅基陶瓷材料具有更高的导热系数、抗弯强度、断裂韧度以及较低的弹性模量、热膨胀系数等优点。

随着工业技术的快速发展，陶瓷材料应用场合对其自身的性能要求也不断提高，传统陶瓷材料已无法满足某些特殊的工况需求。因此，开发新型功能结构陶瓷，进一步提高陶瓷材料的强韧性，对扩大陶瓷材料新的应用领域具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种碳纤维增韧的氮化硅陶瓷复合材料及其制备工艺，进一步提高陶瓷材料的强韧性，扩大陶瓷材料的应用场合。

本发明的一种碳纤维增韧的氮化硅陶瓷复合材料，以Si₃N₄为基体材料，除基体材料外，复合材料的成分还包括碳纤维(C_f)、Ni、Ni₃Si、SiC，其中，Ni为辅助粘结相，Ni₃Si和SiC为颗粒弥散相。

本发明的一种碳纤维增韧的氮化硅陶瓷复合材料的制备工艺如下：将Si₃N₄、Ni、Si的粉体以及C_f短须按照比例混合配料，其中，保证Si粉的质量分数不超过5wt.％；采用热压烧结的方法制备复合陶瓷材料，热压烧结过程控制烧结温度1400～1600℃，加载压力15～25MPa，控制烧结工艺，使Si与Ni和C_f充分反应消耗。

本发明提出了一种碳纤维增韧的氮化硅陶瓷复合材料及其制备工艺。相比普通氮化硅陶瓷材料，本发明具有纤维增韧和颗粒弥散增强的协同作用，材料具有优异的韧性和强度。在烧结制备工艺方面，通过工艺调控，保证Si粉与碳纤维表面的C元素发生化学反应，生成SiC，改善碳纤维与基体材料的结合状况，提高复合材料综合力学性能。本发明的陶瓷复合材料具有优异的抗崩裂强韧性，可广泛应用于切削加工、装备热端构件等领域。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种碳纤维增韧的氮化硅陶瓷复合材料，以Si₃N₄为基体材料，除基体材料外，复合材料的成分还包括碳纤维(C_f)、Ni、Ni₃Si、SiC，其中，Ni为辅助粘结相，Ni₃Si和SiC为颗粒弥散相。

本发明的一种碳纤维增韧的氮化硅陶瓷复合材料的制备工艺如下：将Si₃N₄、Ni、Si的粉体以及C_f短须按照质量分数70wt.％、6wt.％、4wt.％、20wt.％的比例混合配料，采用热压烧结的方式，热压烧结过程控制烧结温度1500℃，加载压力17MPa，加压烧结35min，随炉冷却至常温，制备出该复合材料。