[发明专利]碳纳米管增强增韧碳化硅陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域中一种高性能工程陶瓷材料及其制备方法，具体讲是一种碳纳米管增强增韧碳化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷具有高强度、高硬度、耐磨、耐热、几乎耐所有化学物品腐蚀等特性，还具有优越的高温力学和热学性能，并且具有优越的抗辐射性能和抗氧化性能。

但碳化硅陶瓷还存在脆性、韧性不够的缺点，并且制备后由于内部残留气孔、低熔点杂质、晶格过长等缺陷，往往会导致碳化硅陶瓷特性下降。

内在缺陷的随机性造成强度数据的分散性，导致碳化硅陶瓷的可靠性降低，限制了碳化硅陶瓷在航空航天、核工业、大型石油化工等领域的应用。

为了进一步扩大其在极端环境的应用，各种增强增韧的碳化硅材料或者复合材料成为世界各国特别是欧美发达国家业内专家的关注焦点和研发重点。

碳纳米管是一种碳的同素异构体，按照管壁层数，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，每层纳米管由碳原子通过sp²杂化与周围3个碳原子完全键合成的六边形平面围成的圆柱面，两端由五边形或者七边形参与封闭而成。多壁碳纳米管的层与层之间保持固定距离，约0.34nm。碳纳米管的直径一般为零点几纳米至几十纳米，长度一般为几十纳米至微米级，也有长度为几个毫米超长纳米管。

碳纳米管中经过sp²杂化形成的C＝C共价键是自然界最强的价键之一，赋予碳纳米管极强的强度、韧性及弹性模量，使碳纳米管具有优异的力学性能。理论估计其弹性模量高达5TPa，实验测得平均为1.8TPa，比一般碳纤维高一个数量级，与金刚石的弹性模量几乎相同，为已知材料的最高弹性模量；弯曲强度14.2GPa；具有超高韧性，理论估算最大伸长率可达20％。

碳纳米管尺度小，长径比大，力学性能优良，是理想的纳米纤维增强增韧材料。但是要发挥碳纳米管的增强作用，首先要使碳纳米管均匀的分散在基体中，并且达到一定的含量，在烧结后碳纳米管挤在碳化硅晶粒界面之间或者与晶粒界面结合。

热压烧结由于加热加压同时进行，粉料处于热塑性状态，有助于颗粒的接触扩散、流动传质过程的进行。因而，成型压力仅为冷压的1/10；还能降低烧结温度，缩短烧结时间，从而抑制晶粒长大，得到晶粒细小、致密度高和机械力学性能良好的产品。

无压烧结也是碳化硅陶瓷制备的一种重要方法，设计一种高烧结动力的体系，也可获得高性能的碳纳米管增强增韧碳化硅陶瓷。

但是如何利用热压或无压烧结工艺和碳纳米管的分散技术，使碳纳米管优良力学性能在碳化硅中发挥作用，制备成增强增韧的高性能碳化硅陶瓷，以满足极端工况条件下工作的需求，目前还没有相关报道。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种高性能、高可靠性的碳纳米管增强增韧碳化硅陶瓷。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种碳纳米管增强增韧碳化硅陶瓷，它主要由以下重量配比的原材料制成：碳化硅微粉∶碳化硼微粉∶碳粉∶碳纳米管∶粘结剂∶分散剂为100∶0.5～3∶1.5～8∶0.5～3∶3～6∶0.2～3.0。

所述的碳纳米管增强增韧碳化硅陶瓷，它还包括如下原材料：氧化铝、氧化钇，所述的氧化铝、氧化钇与碳化硅微粉的重量配比为4～7∶3～6∶100。

所述碳化硅(SIC)微粉的D₅₀直径0.40～3.00微米，纯度＞99.5wt％。

所述碳化硼微粉的D₅₀直径0.50～3.00微米，纯度＞98wt％。

所述碳粉的D₅₀直径0.10～3.00微米，纯度＞99wt％。

所述碳纳米管为OD(外径)1～2nm，length(长度)1～30nm，CNTs purity＞90wt％，Ash(灰分)＜1.5wt％的碳纳米管。

所述粘结剂可以是PVA(聚乙烯醇)、糊精、甲基纤维素、葡萄糖中的一种。

所述分散剂可以是铵水、四甲基氢氧化铵、十六烷基磺酸钠中的一种。

所述的氧化铝，其D₅₀中位粒径为0.5～3微米，纯度大于99.5wt％。

所述的氧化钇，其D₅₀中位粒径0.5～3微米，纯度大于99.9％。

本发明还提供一种上述碳纳米管增强增韧热压烧结碳化硅的制备方法，当原料中不采用氧化铝、氧化钇，其具体工艺步骤如下：

(1)按碳化硅微粉∶碳化硼微粉∶碳粉∶粘结剂为100∶0.5～3∶1.5～8∶3～6的重量配比混合，得到混合粉料；