硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法

摘要

本发明提供一种硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于采用以下步骤：1)采用流延法分别制备硼化锆流延片与石墨流延片：先将粘结剂和增塑剂加入溶剂中搅拌均匀，再分别加入硼化锆陶瓷粉料和石墨陶瓷粉料、搅拌均匀，形成流延料，然后流延成型，室温干燥脱模后分别得到200～1000μm厚的硼化锆流延片和20～100μm厚的石墨流延片；2)对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；3)将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂；4)在氩气气氛下热压烧结，制备出层状超高温陶瓷。本发明制备工艺简单、成本低，所得材料可加工性强，组成成分可控，韧性高达11.3MPa·m1/2。

权利要求

1.一种硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于采用以下步骤：

1)采用流延法分别制备硼化锆流延片与石墨流延片：先将粘结剂和增塑剂加入溶剂中搅拌均匀，再分别加入硼化锆陶瓷粉料和石墨陶瓷粉料、搅拌均匀，形成流延料，然后流延成型，室温干燥脱模后分别得到200～1000μm厚的硼化锆流延片和20～100μm厚的石墨流延片，其中硼化锆陶瓷粉料由硼化锆粉末和碳化硅粉末按体积百分比70～

90％∶10～30％混合而成，硼化锆粉末的粒径为1～5μm，碳化硅粉末的粒径为0.5～

2μm，石墨陶瓷粉料由石墨粉末和硼化锆粉末按体积百分比80～100％∶0～20％混合而成；

2)对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；

3)将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂，脱脂时，升温速度为2～

3℃/min，升温至600～700℃，保温0.5～1h；

4)在氩气气氛下热压烧结，烧结温度为1900～2000℃，保温0.5～2h，压力为20～

40MPa，即得层状超高温陶瓷。

2.如权利要求1所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤1)制备硼化锆流延片中，以硼化锆陶瓷粉料重量为基础计算，按重量百分比称取粘结剂5～15％、增塑剂5～15％和溶剂100～200％。

3.如权利要求1所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤1)制备石墨流延片中，以石墨陶瓷粉料重量为基础计算，按重量百分比称取粘结剂10～20％、增塑剂10～20％和溶剂500～1000％。

4.如权利要求1、2或3所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于：粘结剂采用聚乙烯醇缩丁醛；增塑剂采用聚乙二醇和聚乙烯醇中的一种或两种的混合；溶剂采用乙醇。

说明书

硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法

技术领域

[0001] 本发明提供一种硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，属于多孔陶瓷的制备技术领域。

背景技术

[0002] 硼化锆陶瓷具有优越的耐高温和耐腐蚀性能及相对较低的理论密度，因此一直被认为是超高温陶瓷(UHTCs)家族中最有应用前景的材料之一。目前，硼化锆陶瓷已广泛用作各种高温结构及功能材料，如：航空工业中的涡轮叶片、磁流体发电电极等。但硼化锆陶1/2
瓷断裂韧性较低，韧值仅为4～5MPa·m ，限制了其在苛刻作业环境下的应用，如超声速飞行器鼻锥和前沿、超燃冲压发动机热端部件等。因此，为了保证使用过程中的可靠性和安全性，必须改善硼化锆陶瓷的脆性问题，从而提高其耐热冲击性能。目前已有关于制备超高温硼化锆陶瓷的报道，如：专利号为CN101602597A的“硼化锆-碳化硅-碳黑三元高韧化超高温陶瓷基复合材料及其制备方法”强度为132.03～695.54MPa，断裂韧性为2.01～
1/2
6.57MPa·m ；专利号为CN101250061B的“氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料的制
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备方法”断裂韧性达到6.0～6.8MPa·m ，但断裂韧性仍有待进一步提高。

发明内容

[0003] 本发明的目的是为了解决现有硼化锆超高温陶瓷韧性差的问题，而提供一种硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法。其技术方案为：

[0004] 一种硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，其特征在于采用以下步骤：

[0005] 1)采用流延法分别制备硼化锆流延片与石墨流延片：先将粘结剂和增塑剂加入溶剂中搅拌均匀，再分别加入硼化锆陶瓷粉料和石墨陶瓷粉料、搅拌均匀，形成流延料，然后流延成型，室温干燥脱模后分别得到200～1000μm厚的硼化锆流延片和20～100μm厚的石墨流延片；

[0006] 2)对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；

[0007] 3)将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂，脱脂时，升温速度为2～3℃/min，升温至600～700℃，保温0.5～1h；

[0008] 4)在氩气气氛下热压烧结，烧结温度为1900～2000℃，保温0.5～2h，压力为20～40MPa，即得层状超高温陶瓷。

[0009] 所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，步骤1)中，硼化锆陶瓷粉料由硼化锆粉末和碳化硅粉末按体积百分比70～90％∶10～30％混合而成，硼化锆粉末的粒径为1～5μm，碳化硅粉末的粒径为0.5～2μm。

[0010] 所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，步骤1)中，以硼化锆陶瓷粉料重量为基础计算，按重量百分比称取粘结剂5～15％、增塑剂5～15％和溶剂100～200％。

[0011] 所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，步骤1)中，石墨陶瓷粉料由石墨粉末和硼化锆粉末按体积百分比80～100％∶0～20％混合而成。

[0012] 所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，以石墨陶瓷粉料重量为基础计算，按重量百分比称取粘结剂10～20％、增塑剂10～20％和溶剂500～1000％。

[0013] 所述的硼化锆-碳化硅/石墨层状超高温陶瓷的制备方法，粘结剂采用聚乙烯醇缩丁醛；增塑剂采用聚乙二醇和聚乙烯醇中的一种或两种的混合；溶剂采用乙醇。

[0014] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0015] 1、在本发明制得的层状超高温陶瓷中，硼化锆-碳化硅层为硬层，石墨层为软层，这样当超高温陶瓷在受到外力、裂纹扩展至软层时，便转向平行层片方向扩展，并通过软层继续传递载荷，待载荷增大时，裂纹才又转向垂直层片方向扩展并穿过下一层，这样，裂纹在穿过硬层后就发生偏转，增加了裂纹的扩展路径，从而提高了材料的断裂韧性，断裂韧性1/2
高达11.3MPa·m ；

[0016] 2、通过控制溶剂的量可以控制硼化锆流延片和石墨流延片的厚度，通过调节硬层和软层的层厚比，可调节层状超高温陶瓷的力学性能；

[0017] 3、硼化锆流延片和石墨流延片的质量可控，可通过调节硼化锆、碳化硅和石墨的质量比，达到对层状超高温陶瓷组成成分的精确控制；

[0018] 4、本方法获得的层状超高温陶瓷层薄，硼化锆层厚可达50μm，石墨层可达10μm；

[0019] 5、由于石墨具有可导电性，有利于线切割加工，使得制备出的层状超高温陶瓷可加工性强；

[0020] 6、石墨粉末在热压过程中，有择优取向，片层垂直于热压方向，在受压过程中有利于裂纹偏转。

[0021] 7、采用热压烧结工艺，制备的层状超高温陶瓷致密性高。

附图说明

[0022] 图1是本发明实施例2所得层状超高温陶瓷的SEM照片；

[0023] 图2是本发明实施例2所得层状超高温陶瓷断裂韧性测试后的SEM照片。

具体实施方式

[0024] 实施例1

[0025] 1、制备硼化锆流延片与石墨流延片：(1)硼化锆流延料的制备，先称量2.61克聚乙烯醇缩丁醛、2.61克聚乙二醇、52.23克乙醇，搅拌均匀，再加入42.63克1μm的硼化锆粉末和9.60克0.5μm的碳化硅粉末，搅拌均匀，形成硼化锆流延料，其中硼化锆粉末和碳化硅粉末是按照70％∶30％的体积百分比称取；(2)石墨流延料的制备，先称量3.06克聚乙烯醇缩丁醛、3.06克聚乙二醇、152.9乙醇，搅拌均匀，再加入18.40克石墨粉末和12.18克硼化锆粉末，搅拌均匀，形成石墨流延料，其中石墨粉末和硼化锆粉末是按照
80％∶20％的体积百分比称取；(3)流延成型，分别将硼化锆流延料和石墨流延料流延，室温干燥脱模后得到1000μm厚的硼化锆流延片和100μm厚的石墨流延片；

[0026] 2、对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；

[0027] 3、将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂，脱脂时，升温速度为2℃/min，升温至700℃，保温0.5h；

[0028] 4、然后采用氩气气氛热压烧结，烧结温度为1900℃，保温2h，压力为20MPa，即制得层状超高温陶瓷。

[0029] 实施例2

[0030] 1、制备硼化锆流延片与石墨流延片：(1)硼化锆流延料的制备，先称量5.51克聚乙烯醇缩丁醛、5.51克聚乙二醇、82.68克乙醇，搅拌均匀，再加入48.72克2μm的硼化锆粉末和6.40克1μm的碳化硅粉末，搅拌均匀，形成硼化锆流延料，其中硼化锆粉末和碳化硅粉末是按照80％∶20％的体积百分比称取；(2)石墨流延料的制备，先称量4.02克聚乙烯醇缩丁醛、4.02克聚乙二醇、187.53克乙醇，搅拌均匀，再加入20.70克石墨粉末和6.09克硼化锆粉末，搅拌均匀，形成石墨流延料，其中石墨粉末和硼化锆粉末是按照90％∶10％的体积百分比称取；(3)流延成型，分别将硼化锆流延料和石墨流延料流延，室温干燥脱模后得到800μm厚的硼化锆流延片和50μm厚的石墨流延片；

[0031] 2、对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；

[0032] 3、将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂，脱脂时，升温速度为2.5℃/min，升温至650℃，保温1h；

[0033] 4、然后采用氩气气氛热压烧结，烧结温度为1950℃，保温1h，压力为30MPa，即制得层状超高温陶瓷。

[0034] 实施例3

[0035] 1、制备硼化锆流延片与石墨流延片：(1)硼化锆流延料的制备，先称量8.70克聚乙烯醇缩丁醛、8.70克聚乙烯醇、116.02克乙醇，搅拌均匀，再加入54.81克5μm的硼化锆粉末和3.20克2μm的碳化硅粉末，搅拌均匀，形成硼化锆流延料，其中硼化锆粉末和碳化硅粉末是按照90％∶10％的体积百分比称取；(2)石墨流延料的制备，先称量4.6克聚乙烯醇缩丁醛、4.6克聚乙烯醇、230克乙醇，搅拌均匀，再加入23克石墨粉末，搅拌均匀，形成石墨流延料；(3)流延成型，分别将硼化锆流延料和石墨流延料流延，室温干燥脱模后得到200μm厚的硼化锆流延片和20μm厚的石墨流延片；

[0036] 2、对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；

[0037] 3、将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂，脱脂时，升温速度为3℃/min，升温至600℃，保温1h；

[0038] 4、然后采用氩气气氛热压烧结，烧结温度为2000℃，保温0.5h，压力为40MPa，即制得层状超高温陶瓷。

[0039] 实施例4

[0040] 1、制备硼化锆流延片与石墨流延片：(1)硼化锆流延料的制备，先称量8.70克聚乙烯醇缩丁醛、5克聚乙二醇、3.70克聚乙烯醇、116.02克乙醇，搅拌均匀，再加入54.81克5μm的硼化锆粉末和3.20克2μm的碳化硅粉末，搅拌均匀，形成硼化锆流延料，其中硼化锆粉末和碳化硅粉末是按照90％∶10％的体积百分比称取；(2)石墨流延料的制备，先称量4.6克聚乙烯醇缩丁醛、3克聚乙二醇、1克聚乙烯醇、230克乙醇，搅拌均匀，再加入23克石墨粉末，搅拌均匀，形成石墨流延料；(3)流延成型，分别将硼化锆流延料和石墨流延料流延，室温干燥脱模后得到200μm厚的硼化锆流延片和20μm厚的石墨流延片；

[0041] 2、对硼化锆流延片和石墨流延片依照模具大小分别切片；

[0042] 3、将硼化锆片和石墨片交替叠加放入石墨磨具中，真空脱脂，脱脂时，升温速度为3℃/min，升温至600℃，保温1h；

[0043] 4、然后采用氩气气氛热压烧结，烧结温度为2000℃，保温0.5h，压力为40MPa，即制得层状超高温陶瓷。