[发明专利]二元纳米协同强化增韧碳化硅陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米颗粒、纳米晶须二元协同强化增韧碳化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷是一种高性能的结构材料，具有许多优良特性，如机械强度高、弹性模量大、硬度高、耐磨损性能好、耐高温、抗热震性能好、抗氧化性强、热稳定性能好、热导率大、耐化学腐蚀性能好等。碳化硅陶瓷已被广泛用于机械、电子、冶金、石油化工等领域及国防工业，并被国际上确认为自金属、氧化铝、硬质合金以来的第四种基本材料。虽然碳化硅陶瓷具有许多性能，但其室温强度低、韧性不够、成型比较困难，这也限制了它的应用。随着科学技术的发展，特别是能源、空间技术、汽车工业等的发展，对材料的要求越来越苛刻，迫切需要开发出各种综合性能好的结构材料。因此只有采用各种强化增韧手段制备出碳化硅基复合陶瓷，提高其强度和韧性，才能更好地满足碳化硅陶瓷在空间技术、国防工业等尖端领域应用的要求。

多数研究表明，同传统的微米级陶瓷相比，纳米复合陶瓷的抗弯强度有较大提高，断裂韧性、抗蠕变性、耐磨性、硬度及高温性能等都有不同程度的提高。纳米颗粒弥散到陶瓷基体中通过残余应力场增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转、裂纹弯曲、裂纹分岔、裂纹桥连与裂纹钉扎等机制实现陶瓷的强化与增韧。晶须与基体间界面周围存在由于弹性模量或热膨胀系数的不匹配而引起的应力场，因此，晶须的加入将导致裂纹的偏转。晶须-基体界面的解离使裂纹扩展通过基体，而在基体的后面存在一个晶须仍然保持完好的区域，在此区域内，晶须把裂纹桥连起来，在裂纹的表面加上了闭合应力，起到增韧的作用。

目前，已经有关于纳米颗粒/碳化硅复合陶瓷、碳化硅晶须/碳化硅复合陶瓷的报道，相比之下，纳米颗粒对陶瓷的强化作用较好，如纳米TiN颗粒增强碳化硅陶瓷的抗弯强度为550～700MPa，断裂韧性为5～6MPa·m^1/2，而晶须对陶瓷的增韧作用较理想，如碳纤维增强碳化硅陶瓷的抗弯强度为500～550MPa，断裂韧性为6.5～7.5MPa·m^1/2。而且，为了抑制纳米晶粒的长大，通常采用的是热压烧结或热等静压烧结方式，工艺复杂、成本高，不利于工业化生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种二元纳米协同强化增韧碳化硅陶瓷及其制备方法，本发明方法工艺简单，所制备的碳化硅陶瓷具有晶粒度小、硬度高、抗弯强度大、断裂韧性优良等特性。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种二元纳米协同强化增韧碳化硅陶瓷的制备方法，以重量百分比为75％～86％的碳化硅粉体、10％～15％的钇铝石榴石、2％～5％的纳米颗粒和2％～5％的纳米晶须组成主原料，依次包括以下步骤：

1)、将上述主原料、粘结剂和分散剂加入到去离子水中，球磨混合后，配制成固相重量含量为30％～50％水基碳化硅料浆；粘结剂、分散剂的重量分别是主原料的0.5％～3％、0.5％～1.5％；

2)、采用喷雾造粒工艺对水基碳化硅料浆进行喷雾干燥，得到碳化硅造粒粉；

3)、对上述碳化硅造粒粉采用140～180MPa干压预压和160～200MPa冷等静压终压的两步方式成型，获得高密度的碳化硅素坯；

4)、将上述高密度的碳化硅素坯放入真空无压烧结炉中，升温至1900℃～2000℃保温1～1.5小时；得到二元纳米协同强化增韧碳化硅陶瓷。

作为本发明的二元纳米协同强化增韧碳化硅陶瓷的制备方法的改进：纳米颗粒为纳米碳化硅、纳米氮化钛和纳米碳化钛中的至少一种；纳米晶须为纳米碳化硅晶须和/或纳米氮化硅晶须。

作为本发明的二元纳米协同强化增韧碳化硅陶瓷的制备方法的进一步改进：粘结剂为酚醛树脂、糊精或聚乙烯醇，分散剂为聚乙二醇或四甲基氢氧化铵。

作为本发明的二元纳米协同强化增韧碳化硅陶瓷的制备方法的进一步改进：步骤2)的喷雾造粒工艺为：料浆流量为3～5Kg/h，热风进口温度为200℃～250℃。

作为本发明的二元纳米协同强化增韧碳化硅陶瓷的制备方法的进一步改进：碳化硅粉体的颗粒大小为0.5μm～2.5μm，纳米颗粒大小为20～80nm，纳米晶须的直径为50～80nm。

作为本发明的二元纳米协同强化增韧碳化硅陶瓷的制备方法的进一步改进：步骤1)中球磨混合5～20小时。

作为本发明的二元纳米协同强化增韧碳化硅陶瓷的制备方法的进一步改进：步骤3)采用160MPa干压预压和180MPa冷等静压终压的两步方式成型。