[发明专利]共晶组织超高温ZrB2

说明书

本发明公开了一种共晶组织超高温ZrB₂‑SiC复相陶瓷及制备方法，将定向凝固的ZrB₂‑SiC复合材料通过机械研磨获得的粉末作为初始的粉末，机械混匀后利用等离子放电烧结制备出复合材料，烧结的温度为1500‑2000℃，烧结压力为10‑100MPa，烧结时间为1‑100min。本发明与经热压烧结和热等静压烧结制备的ZrB₂‑SiC复合材料相比，具有明显的结晶组织，良好的力学性能，低的烧结温度且不需要添加烧结助剂，低的成本，可满足高温高强度领域的应用需求，可满足工业规模化生产的要求。

技术领域

本发明涉及具有共晶组织的超高温陶瓷及其制备方法，具体为一种制备具有共晶组织的超高温的ZrB₂-SiC复合材料的方法。

背景技术

ZrB₂为六方晶系C32型准金属结构化合物。在ZrB₂的晶体结构中B- 离子外层有四个电子,每个B-与另外三个B-以共价σ键相连接，形成六方形的平面网状结构；多余的一个电子则形成空间的离域大π键结构。B-离子和Zr2+离子由于静电作用，形成离子键。晶体结构中硼原子面和锆原子面交替出现构成二维网状结构，这种类似于石墨结构的硼原子层状结构和锆原子层状结构决定了ZrB₂具有良好的导电导热性能和金属光泽。而硼原子面和锆原子面之间的Zr—B键以及B—B共价键的强键性则决定了ZrB2 的高熔点、高硬度和化学稳定性，根据其性能它的应用方向如下：

1.耐高温性：二硼化锆具有很高的熔点，其熔点为3040℃。同时在较高的温度下也能够维持较高的强度，被广泛的应用在高温航空件上。

2.良好的导电性：二硼化锆涂层具有防静电性，而且广泛应用于防静电涂层材料中。涂层的导电性随着导电填料(二硼化锆)的增加而增强，这主要是利用ZrB₂优良的导电性，增强复合材料的导电能力。同时ZrB2电极材料能在等离子体中得到应用，在高能流的等离子体电火花中有很高的热稳定性和耐磨性。

3.高的硬度：硼化锆陶瓷具有很高的硬度，高达23GPa，即使在较高的温度下也可以很好的保持较高的稳定性，因此硼化锆陶瓷可以被用作切削材料。

4.较高的热导率：致密硼化锆陶瓷的热导率可以达到25W·m-1·K-1，接近于不锈钢。且材料的热导率随温度变化不大。因此，它可以用做井下防爆电机的绝缘散热片、高温热电偶的保护套管。

为了弥补单一相陶瓷材料的某些缺陷，人们对材料的研究从单一性转向了复合性，利用材料各自优点实现优势互补，制备综合性能良好的复合材料。以ZrB₂为基体的材料，为了弥补其强度不高、韧性不足、高温下抗氧化性能不好的缺陷，往往在基体材料中引入第二相颗粒，一般主要是SiC 以及MoSi2等材料。文章(Composites:Part B，54，307–312(2013)) 先通过凝胶注模成型然后无压烧结到1950℃保温2h，得到断裂韧性和维氏硬度分别为4.13±0.45MPa·m1/2和14.1±0.5GPa。文章(Journal of the European CeramicSociety,27,2729-2736(2007))中指出利用反应热压烧结工艺，烧结温度在1600-1900℃之间，烧结压力为30MPa，得到较好的力学性能。传统的热压、无压烧结工艺虽然能够得到较好的力学性能，但是其烧结时间较长，成本较高。另外由于ZrB2和SiC的熔点很高，单纯利用热压、无压以及其他方式在其熔点以下烧结得不到具有共晶组织的材料，其耐高温性也就得不到进一步提升。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的在于制备具有共晶组织的超高温的ZrB2-SiC复合材料，制备的材料具有良好的硬度和较高的致密度。

本发明的技术方案是：