[发明专利]一种ZrB2－SiC－ZrC复相陶瓷材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种ZrB₂-SiC-ZrC复相陶瓷材料的制备方法。属于非氧化物基陶瓷材料的制备领域。

背景技术

航空航天飞行技术的发展提出了对新型高温材料的需求。高超音速飞行器在飞行过程中其尖锐表面，如引擎进气道，翼缘和头锥等都会与大气强烈磨擦而产生高温，从而需要能在1800-2400℃高温并有氧存在的环境下能重复使用的材料作为防热系统。到目前为止能用于未来超音速飞行器防热体系的材料很少，正在使用中的高温材料包括碳-碳复合材料和碳化硅基复合材料，如C-SiC，SiC-SiC等，但这些材料的抗氧化温度通常只是在1600℃以下，人们需要寻找具有更好高温抗氧化性的新型材料。超高温陶瓷(UHTCs)是指能在1800℃以上使用的，具有3000℃左右熔点及高温抗氧化性和抗热震性的过渡金属的硼化物，碳化物和氮化物(K.Upadhya，J.-M.Yang，and W.P.Hoffman，“Materials for Ultrahigh Temperature Structural Applications，”Am.Ceram.Soc.Bull.58[12](1997)51)。由于具有良好的高温抗氧化性能，ZrB₂-20％SiC和HfB₂-20％SiC基材料已成为超高温陶瓷研究领域的主体(W.C.Tripp，H.H.Davis and H.C.Graham，“Effect of an SiC Addition on theOxidation ofZrB₂，”Am.Ceram.Soc.Bull.52(1973)612)。又Jeffrey Bull等人研究发现ZrB₂-SiC-ZrC，HfB₂-SiC-ZrC三元系统具有较好的高温抗烧蚀性(J.Bull，M.White，and L.Kaufman U.S.Patent No.5,750,450(1999))，因此制备出致密的三元ZrB₂-SiC-ZrC陶瓷对进一步改善材料的高温性能具有重要意义。

由于硼化物，碳化物具有极高的熔点和强的共价键，很难获得致密的材料。通常采用热压烧结在1900-2200℃温度范围内，压力高于20MPa甚至达到50MPa的条件下进行制备。而硼化物和碳化物的原料中极易引入杂质氧，从而阻碍烧结过程中物质的扩散，使晶粒过分长大，最终影响材料的力学性能。Monteverde和Bellosi等人对ZrB₂/HfB₂的烧结行为进行了研究，通过引入多种添加剂，如Ni、Si₃N₄、AlN、HfN、ZrN等(Bellosi A，MonteverdeF，“Ultra-refractory ceramics：the use of sintering aids to obtain microstructurecontrol and properties improvement”Key Eng.Mater.264(2004)787)，采用液相烧结以及去除原料表面的氧化物来促进烧结。虽然烧结助剂的引入在一定程度上促进了材料的致密化，但是加入的助剂往往以玻璃相或氧化物的形式残留在晶界处，对材料的高温力学性能以及抗氧化性能产生了不利的影响。因此探索其它的材料制备方法以及提高原料的纯度和烧结性能是非常必要的。

综上所述，能否探索一种制备方法，通过调节烧结工艺参数在升温过程中引发原料之间发生自蔓延反应，并利用此过程中瞬间生成的大量热去除原料中的杂质氧，获得高活性、高纯度的粉体，通过反应烧结使材料的致密化温度由传统热压工艺所需要的1900-2200℃高温降至1500-1700℃。而制备的材料相对密度≥97％，而其他性能与传统热压工艺的性能相当，兼可降低能耗而又能基本满足要求，从而引发出本发明的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ZrB₂-SiC-ZrC复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于，采用本发明提供的方法可以在1500-1700℃的温度下，通过反应烧结获得致密的ZrB₂-SiC-ZrC陶瓷材料，该材料具有良好的性能。

本发明的目的是通过下列方式实施的。即采用纯度不低于98％的锆粉，硅粉和碳化硼粉为原料，通过调节烧结工艺参数，利用升温过程中所引发的粉体之间的自蔓延反应，通过热压反应烧结的方法，在1500-1700℃的温度下制备出相对密度大于97％的体材料。