[发明专利]一种二硼化锆/碳化硅复合材料及利用电弧熔化原位反应制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，更加具体地说，特别涉及一种高性能二硼化锆/碳化硅复合材料及其制备方法。

背景技术

二硼化锆(ZrB₂)是六方晶系C32型结构的准金属结构化合物，因其具有高熔点、高硬度、良好的导电导热性能、良好的中子控制能力等特点而在高温结构陶瓷材料、复合材料、耐火材料、电极材料以及核控制材料等领域中得到人们的重视和广泛应用。许多报告表明SiC的加入可以提高材料的抗氧化性能并增强其力学性能。因此，人们通过传统的热压(HP)、无压等方法对二硼化锆/碳化硅复合材料的力学性能及高温性能做了大量研究。中国专利“一种高强高韧性的二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料及及制备方法”(申请号201010565353.8，申请日2010.11.30，申请公布日：2011.05.18)公开了以二硼化锆粉末、碳化硅粉末及二氧化硅纤维为原料，经湿混、烘干及研磨用热压烧结制备二硼化锆-碳化硅-氧化锆陶瓷基复合材料及其制备方法。然而研究表明应用固态烧结方法制备二硼化锆/碳化硅复合材料具有以下局限性：一、由于ZrB₂及SiC具有很强的共价键，传统烧结中扩散过程难以进行，难以制备出致密度且强韧性高的二硼化锆/碳化硅复合材料；二、为了改善材料性能，常常需要选择合适的烧结助剂(如：CoB、Ni₃B₄、Y₂O₃、ZrO₂等)，这会对复合材料的性能造成不利影响；三、传统方法对原材料及工艺过程有较为严格的要求，使得制备过程复杂且效率低下，增加了制备材料成本；因此，选择高效、廉价的方法制备高性能的高温陶瓷材料是解决制约其大规模应用瓶颈的重要途径。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，解决固态烧结方法制备二硼化锆/碳化硅复合材料过程中存在的问题，而提供一种提高二硼化锆/碳化硅复合材料力学性能的快速制备方法。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

二硼化锆/碳化硅复合材料的制备选用的反应原材料为锆粉、碳化硼粉及碳化硅粉(普通商用的药品即可)，通过改变组分，用电弧熔化原位反应的方法可以制备出以二硼化锆/碳化硅为主相的复合材料，同时生成C、ZrC、ZrSi₂物相实现材料的复合；利用熔化及反应合成的新相结构不仅可以使二硼化锆/碳化硅复合材料有更高的致密度，还可以提高其力学及高温性能。

一种电弧熔化原位反应制备二硼化锆/碳化硅复合材料的方法，按照下述步骤进行：

(1)将20～100目的锆粉(Zr；纯度≥992)、碳化硼粉(B₄C；纯度≥95)及碳化硅粉(SiC；纯度≥95)作为反应原材料，根据化学反应按照物质的量比Zr∶B₄C∶SiC为1.56～3∶1∶0.5～3配制粉末；在玛瑙研钵中将混合粉末混合均匀，研磨时间为15～60分钟，配制水玻璃与水体积比为1∶1的溶液作为粘结剂加入到混合粉末中，加入量为混合粉末总质量的3％-5％，将湿粉预制在石墨板基体上并用石墨模具压制成型；

(2)将模具成型后的试样进行干燥处理，以去除水分的影响：将试样放置在室温环境中阴干12～24小时后在烘干炉中以2℃/s的加热速度加热至350～450℃并在最高温度停留烘干0.5～1小时，期间可选用使用空气或者惰性气体气氛(例如氩气、氮气、氦气)

(3)电弧加工条件：将烘干后的试样进行电弧快速熔化(例如将试样置于阴极用电弧进行快速熔化)，整个电弧处于流动惰性气氛中(例如氩气、氮气、氦气保护下)，在直流电流为180～250A，电压为28～35V，保护气体流量为10L/min及电弧扫描速度为1.00～3.00mm/s的工艺条件下完成的。

所述步骤(1)中，锆粉的纯度≥99.2，碳化硼粉的纯度≥95，碳化硅粉纯度≥95。

所述步骤(3)中，直流电流优选200～250A，电压优选30～35V，电弧扫描速度为1.5～2.5mm/s。

本发明提供了一种利用电弧熔化原位反应制备二硼化锆/碳化硅复合材料的方法。采用普通商用粉体，通过快速熔化及反应来得到致密度高、显微结构可控且力学性能良好的材料。此外，该方法制备效率高、能耗低、生成成本低且使材料的可加工性、产品的可靠性得以大大提高。具有良好产业化前景。