[发明专利]ZrB2-ZrC基耐超高温陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料领域，具体涉及一种耐超高温陶瓷基复合材料的制备方法。

背景技术

航空航天领域对材料的耐高温、耐烧蚀、耐腐蚀、比强度、比刚度、低密度、高韧性等性能有着极高的要求，现有材料已经显现出局限性。在此背景下，开发高强度、高模量、在超高温燃气及氧化气氛中能够长时间保持物理和化学稳定性的新型材料便成为国内外材料领域研究的热点。

超高温防热材料所具有的高温强度、抗氧化和抗热冲击性能使得其能够胜任包括高超声速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境，其使用对象包括飞行器鼻锥、翼前缘、发动机热端等各种关键部位或部件。能够胜任如此苛刻性能要求的材料主要集中在高熔点硼化物、碳化物组成的多元复合超高温陶瓷材料体系，这些材料的熔点超过3000℃、有良好的热化学稳定性，高的导热、导电性，1600℃以上表现出很好的抗氧化特性。如ZrB₂、ZrC的氧化产物ZrO₂具有足够高的熔点（2770℃）和相对低的蒸气压，在超高温下可在基体表面形成抗氧化膜，降低氧气向基体中的扩散速度，起到有效的抗氧化烧蚀作用。

目前，对于ZrB₂-ZrC基耐超高温陶瓷的制备方法主要有热压法，以及在此基础之上发展起来的无压烧结和反应热压法。但是由于ZrB₂、ZrC材料强的共价键结合，而且熔点在3000℃以上，这些方法的工艺温度高、难度大、后续加工复杂、不利于工业化生产。反应熔渗法自1988年发明以来，主要用于液相渗硅制备SiC基复合材料，其机理是在高温下在毛细管力及反应驱动力的作用下，熔融硅浸渍进入多孔预制体，反应生成SiC基复合材料。由于反应熔渗法具有的近净成型复杂形状构件的特性，近年来受到人们的广泛关注，国外有文献报道采用纯金属锆与B₄C粉反应制备片状增韧陶瓷材料，但由于其高达1900℃的工艺温度，限制了该工艺的推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种制备温度较低、成本低、且能获得高致密性、高力学性能、耐高温的ZrB₂-ZrC基耐超高温陶瓷的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种ZrB₂-ZrC基耐超高温陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备生坯：称取B₄C粉和粘结剂聚碳硅烷，将称取的原料通过球磨混合，经模压或交联方式成型后，得到生坯；

（2）烧制多孔刚性预制体：将所述生坯经高温裂解，保温，得到多孔刚性预制体；

（3）熔渗反应：以所述多孔刚性预制体为基材，以含锆合金为熔渗剂，经熔渗反应，制得ZrB₂-ZrC基耐超高温陶瓷半成品；

（4）高温处理：用B₄C粉或SiC粉包埋所述ZrB₂-ZrC基耐超高温陶瓷半成品，高温处理后制得ZrB₂-ZrC基耐超高温陶瓷。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述制备生坯步骤中，原料B₄C粉和聚碳硅烷的质量比优选为（1～19）∶1。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述制备生坯步骤中，称取的原料还优选包括填料SiC粉和/或造孔剂面粉。更优选的，前述各组成原料的质量分数优选为：B₄C粉50%～95%、SiC粉0～40%、面粉0～20%和聚碳硅烷5%～30%。

以上各技术方案中，所述模压成型时的成型压力优选为100MPa～200MPa。

以上各技术方案中，所述交联成型时，成型温度优选为120℃～200℃，保温时间优选为3h～6h。

以上各技术方案中，所述烧制多孔刚性预制体步骤的工艺参数优选为：温度900℃～1600℃，保护气氛为氩气或真空，保温时间0.5 h～1h。

以上各技术方案中，所述含锆合金优选为金属锆和金属铜熔炼后的合金，或者为金属锆和单质硅熔炼后的合金。所述熔炼方式优选为电弧熔炼或真空感应熔炼。以锆和铜作为制备含锆合金的原料时，二者的质量配比优选为（0.6～9）∶1。以锆和单质硅作为制备含锆合金的原料时，二者的质量配比优选为（11～49）∶1。