[发明专利]一种原位反应热压合成TaC－TaSi2陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料及制备方法，具体为一种原位反应热压合成TaC-TaSi₂陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

过渡族金属碳化物TaC具有NaCl型晶体结构，由于共价键的存在它具有高的弹性模量(560GPa)，高的硬度(15GPa)和极高的熔点(3985℃)。利用其高的熔点，TaC可作为高温抗烧蚀材料，例如应用为航空和航天发动机喷管的喉衬材料。洛克希德·马丁公司(美国)曾研制出一种几乎不烧蚀的、纯模压成型的TaC陶瓷喉衬(致密度为95％)，相比于传统的碳-碳材料，生产周期大大缩短(航空兵器，2(2004)48)。但不可忽视的是TaC的烧结性能不好，需要在高于1900℃条件下致密化，并且其抗氧化性能也不理想，在氧化气氛中很容易形成疏松的表面氧化层。而钽的另一种化合物TaSi₂具有和MoSi₂与NbSi₂相似的晶体结构，优良的高温强度和高温抗氧化性(Mater.Sci.Eng.A，239/240(1997)600)，可在1600℃以上使用，是极具潜力的高温结构材料。并且TaSi₂的熔点为2040℃，在较低温度下就能烧结致密化。一方面目前尚未有报道用添加TaSi₂的方式来提高TaC的烧结性能；另一方面TaC具有高的弹性模量(560GPa)和高的硬度(15GPa)，利用其来增强TaSi₂具有可行性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺条件容易控制、成本低的原位反应热压合成TaC-TaSi₂陶瓷复合材料及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种原位反应热压合成TaC-TaSi₂陶瓷复合材料，两种成分相原位反应生成，按体积百分含量计，0＜TaSi₂＜100％。

所述原位反应热压合成TaC-TaSi₂陶瓷复合材料的制备方法，通过原位反应热压技术合成，其中基体中TaC和TaSi₂的含量，可以由原始配比中Ta、Si和C的含量来调节。

所述TaC-TaSi₂陶瓷复合材料的制备方法，以钽粉、硅粉和石墨粉为原料，在树脂罐中球磨12～48小时，过筛后装入石墨模具中冷压成型(5～20MPa)，在真空或通有氩气的热压炉内烧结，升温速率为10～15℃/分钟，烧结温度为1600～1700℃、保温烧结时间为1～2小时、烧结压强为30～40MPa。从而，在较低的温度下快速制备出高致密度的TaC-TaSi₂陶瓷复合材料。

所述加入的钽粉、硅粉和石墨粉粒度范围为200～400目；所述烧结方式为热压烧结；所述烧结气氛为真空(真空度为10^-4～10^-2MPa)或氩气；所述混料方式采用在干燥条件下的球磨法。

本发明的优点是：

1.低温烧结，工艺简单，成本低。本发明以钽粉、硅粉和石墨粉为原料，通过原位反应在1600～1700℃热压合成，烧结与致密化同时进行。所烧结的TaC-TaSi₂陶瓷复合材料由碳化钽和二硅化钽两相组成。相对于先合成两相陶瓷，再混合烧结，使工艺流程变得简单。

2.本发明获得的TaC-TaSi₂复合材料主要作为高温耐烧蚀、抗氧化的非承重结构件，应用于航空和航天领域。

3.本发明设计制备含不同TaSi₂体积百分含量的TaC-TaSi₂陶瓷复合材料。本发明中TaC和TaSi₂都是通过原位反应合成的，应用原位反应热压合成技术，其原理是将原料按要求配比，使其发生化学反应生成目标产物，同时运用热压工艺获得致密材料。其优点是工艺简单、产物原位合成，避免了外界污染，界面清洁。

附图说明

图1是TaC-TaSi₂陶瓷复合材料的X-ray衍射相成分分析图。其中(a)为TTS0，(b)为TTS5，(c)为TTS10，(d)为TTS20，(e)为TTS30，(f)为TTS40，(g)为TTS50，(h)为TTS60，(i)为TTS70，(j)为TTS80，(k)为TTS90，(1)为TTS95，(m)为TTS100。