專利名稱：添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于非氧化物結構陶瓷領域，具體涉及一種添加稀土氧化物(RE2O3)的硼化鋯-碳化硅(ZrB2-SiC)復相陶瓷材料及其制備方法，具體的說是主要以鑭系族稀土氧化物RE2O3 (RE為鑭、鈰、鐠、釹、銪、鏑、鐿、镥)為添加劑，采用熱壓燒結在相對低的溫度下獲得致密的ZrB2-SiC復相陶瓷，材料的相對密度大于99%，力學性能、導熱性能和抗氧化燒蝕性能良好。
背景技術：
高超聲速飛行器運行的極端環境具有超高溫(1800°C以上)、高腐蝕性氣氛(比如氧原子、等離子)和高氣流沖刷等特征。以碳化硅或者氮化硅等為基的高溫結構陶瓷及其復合材料已難以滿足設計需求，而過渡金屬的硼化物和碳化物超高溫陶瓷具有高溫強度、高溫抗氧化燒蝕性、抗熱震性等優異高溫性能，將在高超音速飛機中得到廣泛的應用(W. G.Fahrenholtzj G. E. Hilmasj A. L Chamberlain and J. W. Zimmermannj “Processingand characterization of ZrB2_based ultra-high temperature monolithic andfibrous monolithic ceramics，，，J. Mater. Sci.，39(2004) 5951)。在過渡金屬硼化物和碳化物等超高溫陶瓷材料中，由于ZrB2具有優良的力學性能、相對低的密度、高的熔點和良好的熱導率,成為了新型超高溫結構材料的研究主體,但純ZrB2材料較差抗熱震性能和高溫抗氧化性限制了其應用。人們經過研究證實SiC的添加能顯著改善ZrB2陶瓷的高溫抗氧化性能和力學性能，因此ZrB2-SiC復相材料在超高溫陶瓷領域引起了人們很大的關注。由于ZrB2極強的共價鍵和較低的自擴散系數，一般ZrB2-SiC需要通過熱壓燒結，并且在較高的溫度下(> 1900°C)才能實現材料的高致密化。添加金屬或者陶瓷助劑(Ni，Si3N4, WC, ZrN)可以降低的燒結溫度，提高材料的致密化，但對于材料的其它性能并沒有顯著提高，甚至還降低材料的性能，例如高溫抗氧化燒蝕性能。因此探尋即能夠促進致密化又可以提高材料性能的新型添加劑對熱壓燒結ZrB2-SiC復相陶瓷是十分必要的。稀土氧化物RE203( RE為鑭、鋪、鐠、釹、銪、鏑、鐿、镥)是碳化娃或者氮化娃陶瓷常用的燒結助劑，不僅可以降低碳化硅或者氮化硅陶瓷的燒結溫度，促進致密化，還可以提高其力學性能、導熱性能和抗氧化性能(S. Tabata, Y. Hirata, S. Sameshima, N. Matsunagaand K. Ijichi, “Liquid Phase Sintering and Mechanical Properties of SiC withRare-Earth Oxide”，J. Ceram. Soc. Jpn., 114(2006)247)。所以本發明將稀土氧化物RE2O3作為ZrB2-SiC復相陶瓷中的新型添加劑，以期在促進材料致密化的同時，提高材料的力學性能、導熱性能和抗氧化燒蝕性能。
發明內容
本發明的目的在于提供一種添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料及其制備方法，通過添加稀土氧化物(RE2O3)在熱壓燒結的條件下制備性能優良的ZrB2-SiC復相陶瓷，以稀土氧化物RE2O3作為添加劑可以在1700°C -1900°C的溫度下獲得致密的ZrB2-SiC陶瓷，材料的力學性能、導熱性能和抗氧化燒蝕性能良好。本發明提出的添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料，所述稀土氧化物為RE2O3，其中RE為鑭、鈰、鐠、釹、銪、鏑、鐿或镥中任一種，其純度不低于99%，ZrB2和SiC的純度不低于97%，基體中SiC的含量為10-30vol%, RE2O3的含量為O. 1_10νο1%，其余為ZrB2，其總體積滿足100%。本發明中，所述ZrB2的平均粒徑為14 μ m, SiC平均粒徑為O. 45 μ m, RE2O3的粒徑小于I μ m0本發明提出的一種如權利要求I所述的添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料的制備方法，具體步驟如下
將稀土氧化物、硼化鋯和碳化硅放入容器中，以丙酮為溶劑、以500-600轉/分鐘的轉速行星球磨8小時，所得漿料通過旋轉蒸發烘干后得到混合均勻的粉料；將混合均勻的粉料放在內壁表面涂覆BN的石墨模具中，在氬氣氣氛中進行熱壓燒結，燒結溫度為1700-1900°C，熱壓的壓力為20-30MPa，即得復相陶瓷材料。本發明中，熱壓燒結開始時升溫速率為5-10°C /min，溫度升至1650°C時保溫lh，然后升溫速率為10-30°C /min，升溫至1700-1900°C，20_30MPa的壓力下熱壓燒結O. 5_3h。本發明中，所述復相陶瓷材料的相對密度大于99%，室溫彎曲強度在800_1000MPa之間，斷裂韌性在4. 5-6MPa · m1/2之間，維氏硬度在15_20GPa之間，導熱率在80-100W · (m · ΚΓ1 之間。本發明中，所述復相陶瓷材料具有優良的抗氧化燒蝕性能，在2400°C下燒蝕10分鐘，線燒蝕率僅為O. 001mm/so本發明的優點是
(1)原料價格便宜，制備工藝簡單，容易實現；
(2)在1700-1900°C即可燒結致密，材料的致密度高；
(3)稀土氧化物RE2O3添加可以凈化材料晶界，有利于提高材料的力學性能和導熱性能；RE203與ZrB2可以形成焦綠石結構,有利于改善材料的抗氧化燒蝕性能。
圖I為實施例I所得樣品的顯微形貌。圖2為實施例I得到樣品的斷面形貌。圖3為實施例I得到樣品的XRD圖譜。
具體實施例方式實施例I
以2沖2粉(14“111，>97%)，SiC 粉(O. 45 μ m, >97%)和氧化鐿粉(Yb2O3, < I μ m，>99%)為原料，按照燒結助劑Yb2O3的體積含量在3%，SiC的體積含量在20%，ZrB2的體積含量在78%配料，以丙酮為溶劑、氮化硅球為球磨介質，以560轉/分鐘的轉速行星球磨8小時，所得漿料通過旋轉蒸發烘干后得到混合均勻的粉料。
將混合均勻的粉體放在內壁表面涂覆BN的石墨模具中，在進行熱壓燒結，熱壓燒結開始時升溫速率為8 V /min，溫度升至1650° C時保溫lh，然后升溫速率為15°C /min,升溫至1900°C，30MPa的壓力下熱壓燒結lh，即可獲得相對密度接近100%的塊體材料。材料的顯微形貌如圖I所表示，斷面如圖2所表示，XRD圖譜如圖3所表示。實施例2
設計Yb2O3在基體中的體積含量為1%，，按照實施例I的方法制備材料，所得到樣品的相對密度大于99%。實施例3
設計Yb2O3在基體中的體積含量3%，按照實施例I的方法制備材料，改變燒結溫度為17000C，所得到樣品的相對密度為99%. 實施例4
設計Nd2O3在基體中的體積含量為10%，按照實施例I的方法制備材料，所得到樣品的相對密度接近100%。實施例5
Yb2O3的體積含量在1-8%之間，按照實施例I方法制備材料，所得到樣品的相對密度大于99%，材料的室溫彎曲強度在800-1000MPa之間，斷裂韌性在4. 5_6MPa *m1/2之間，維氏硬度在15-20GPa之間，導熱率在80-100W · (m· ΚΓ1之間。
權利要求
1.一種添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料，其特征在于所述稀土氧化物為RE2O3，其中RE為鑭、鈰、鐠、釹、銪、鏑、鐿或镥中任一種，其純度不低于99%，ZrBjP SiC的純度不低于97%，基體中SiC的含量為10-30vol%, RE2O3的含量為O. l_10vol%，其余為ZrB2，其總體積滿足100%。
2.根據權利要求I所述的添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料，其特征在于所述ZrB2的平均粒徑為14 μ m, SiC平均粒徑為O. 45 μ m, RE2O3的粒徑小于I μ m。
3.—種如權利要求I所述的添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下將稀土氧化物、硼化鋯和碳化硅放入容器中，以丙酮為溶劑、以500-600轉/分鐘的轉速行星球磨8小時，所得漿料通過旋轉蒸發烘干后得到混合均勻的粉料；將混合均勻的粉料放在內壁表面涂覆BN的石墨模具中，在氬氣氣氛中進行熱壓燒結，燒結溫度為 1700-1900°C，熱壓的壓力為20-30MPa，即得復相陶瓷材料。
4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于熱壓燒結開始時升溫速率為5-10°C/ min，溫度升至1650°C時保溫lh，然后升溫速率為10_30°C /min,升溫至1700-1900°C， 20-30MPa的壓力下熱壓燒結O. 5_3h。
5.根據權利要求I所述的添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料，其特征在于所述復相陶瓷材料的相對密度大于99%，室溫彎曲強度在SOO-IOOOMPa之間，斷裂韌性在4. 5-6MPa · m1/2之間，維氏硬度在15_20GPa之間，導熱率在80-100W · (m · K) 之間。
6.根據權利要求I所述的添加稀土氧化物的硼化鋯-碳化硅復相陶瓷材料，其特征在于所述復相陶瓷材料具有優良的抗氧化燒蝕性能，在2400°C下燒蝕10分鐘，線燒蝕率僅為 O.001mm/so
全文摘要
本發明涉及一種添加稀土氧化物(RE2O3)的硼化鋯-碳化硅(ZrB2-SiC)復相陶瓷材料及其制備方法。本發明以純度不低于97%的ZrB2和SiC粉為原料，以純度不低于99%的RE2O3為添加劑，進行配料，添加劑體積分數為0.1-10vol%，獲得具有不同組分的材料。原料經球磨烘干后，通過調節燒結工藝參數，在1700-1900℃之間熱壓燒結獲得ZrB2-SiC復相陶瓷。所制備的材料的相對密度大于99%，彎曲強度為800-1000MPa，斷裂韌性4.5-6MPa·m1/2，硬度15-20GPa，導熱率在80-100W·(m·K)-1，抗氧化燒蝕性能好。
文檔編號C04B35/58GK102976760SQ20121055574
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者郭偉明, 楊振國 申請人:復旦大學