[发明专利]一种高性能纳米碳化硅陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明属于非氧化物陶瓷材料领域，公开一种高性能纳米的碳化硅陶瓷及其制备方法和应用。该碳化硅陶瓷是将聚碳硅烷作为前驱体和烧结助剂Al₂O₃‑CeO₂球磨混合后，在保护气氛下，先升温至200～400℃保温，再升温至500～1200℃裂解，得到混合粉体；再将混合粉体进行球磨、造粒，装入石墨模具中，施加压力1～20MPa，在保护气氛下1200～1450℃进行烧结制得。本发明通过尺寸效应，控制样品厚度，使其致密度为97％以上，维氏硬度为25～35GPa，抗弯强度为700～1200MPa，断裂韧性为6～12MPa·m^1/2，在1200℃下高温强度为800～1300MPa，可广泛应用于核能领域中。

技术领域

本发明属于非氧化物陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种高性能纳米碳化硅陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

科学技术的发展对材料提出了更高的要求，陶瓷基的复合材料表现出的高强度、高热导、耐腐蚀和抗高温等优点与合金材料相比优势较大，其中，碳化硅(SiC)材料正是一种典型的陶瓷材料，在高温环境下表现出的高硬度、热稳定性与抗化学腐蚀性使其在高温零部件、核能薄壁件等领域得到广泛的应用。

但由于碳化硅拥有结合力很强的共价键，导致其熔点很高，烧结工艺性差，致密度低。碳化硅的常规热压烧结温度超过2000℃，导致晶粒粗大；利用液相烧结促进致密化可降低烧结温度，但引入了较多的烧结助剂，严重影响了成品材料在高温应用时的性能，制约了碳化硅陶瓷的进一步应用。。

因此，需要发明一种碳化硅陶瓷的烧结工艺，能使碳化硅陶瓷在较低的温度下实现较高致密度的烧结，并且不引入过多的烧结助剂。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种高性能纳米碳化硅陶瓷的制备方法。该方法利用尺寸效应，通过加压裂解的高活性纳米级碳化硅坯料，降低了烧结的温度和烧结助剂的含量，选定了较优的工艺参数。

本发明的另一目的在于提供上述方法制得的高性能纳米碳化硅陶瓷。

本发明的再一目的在于提供上述高性能纳米碳化硅陶瓷的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种高性能纳米碳化硅陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

S1.将聚碳硅烷作为前驱体和烧结助剂Al₂O₃-CeO₂球磨混合后，在保护气氛下，先升温至200～400℃保温，再升温至500～1200℃裂解，得到混合粉体；

S2.将混合粉体进行球磨、造粒，装入石墨模具中，施加压力为1～20MPa，在保护气氛下1200～1450℃进行烧结，制得高性能纳米的碳化硅陶瓷材料。

优选地，步骤S1中所述Al₂O₃与CeO₂的纯度均为99～99.9wt.％，所述Al₂O₃与CeO₂粉的粒径为10～100nm。

优选地，步骤S2中所述碳化硅陶瓷中碳化硅的粒径为30～100nm。

优选地，步骤S1中所述球磨为辊式球磨，是以无水乙醇为溶剂，以氮化硅球为球磨介质，球磨转速为150～500r/min，所述球磨的时间为8～24h。

优选地，步骤S1中所述的聚碳硅烷和烧结助剂的质量比为(95.5～98)：(2～4.5)，所述Al₂O₃和CeO₂的质量比为(1～99)：(1～99)。