[发明专利]一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于非氧化物结构陶瓷领域，具体涉及一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料及其制备方法。具体的说是以碳球为添加剂，采用热压烧结在1800-2000℃下获得致密的ZrB₂-SiC复相陶瓷，材料的相对密度大于98%，具有较高的断裂韧性。

背景技术

ZrB₂以其优良的力学性能、相对低的密度、高的熔点和良好的热导率，成为了新型高温结构材料的研究主体。但纯ZrB₂材料具有较差的抗热震性能和高温抗氧化性。经过大量研究证实， SiC的添加能显著改善ZrB₂陶瓷的抗热震性能和高温抗氧化性能，因此ZrB₂-SiC复相材料在超高温陶瓷领域引起了人们很大的关注。由于极强的共价键和较低的自扩散系数，ZrB₂-SiC具有难烧结的特性，一般ZrB₂-SiC需要通过热压烧结，并且在较高的温度下（2000℃）才能实现材料的高致密化。

作为脆性材料，ZrB₂-SiC陶瓷具有较低的断裂韧性，一般为2.5-4 MPa·m^1/2。为了改进ZrB₂-SiC陶瓷的断裂韧性，主要采取了两种方法。第一种方法是引入纤维或者晶须作为增韧相，通过裂纹偏转提高材料断裂韧性。例如，引入SiC晶须作为第二相，ZrB₂-SiC陶瓷断裂韧性达到了5.7MPa·m^1/2（Stefano Guicciardi，Laura Silvestroni，Mats Nygren， Diletta Sciti, “Microstructure and Toughening Mechanisms in Spark Plasma-Sintered ZrB₂ Ceramics Reinforced by SiC Whiskers or SiC-Chopped Fibers” , J. Am. Ceram. Soc., 93 (2010) 2384）。第二种方法是引入添加剂使ZrB₂发育为各向异性晶粒，通过自增韧提高材料断裂韧性。例如，通过引入WC为添加剂使ZrB₂发育为板晶，材料的断裂韧性高达6.5MPa·m^1/2（Ji Zou，Guo-Jun Zhang， Yan-Mei Kan，“Formation of tough interlocking microstructure in ZrB₂-SiC-basedultrahigh-temperature ceramics by pressureless sintering” , J. Mater. Res., 24 (2009) 2428）。以上两种方法主要都是利用具有一定长径比的某一相发挥裂纹偏转的增韧效果。然而，为了发育成一定的长径比，就需要晶粒具有较大的尺寸，例如，SiC晶须长度为5-15μm，板晶ZrB₂的长度为10-30μm。然而，ZrB₂-SiC陶瓷材料的强度主要由材料中最大的晶粒尺寸所决定，晶粒尺寸越大，材料强度越低。以上两种方法在增韧的同时，牺牲了材料的强度。因此，探寻即能提高材料断裂韧性同时又不牺牲强度的新型增韧方法，对热压烧结ZrB₂-SiC复相陶瓷是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷及其制备方法。

本发明提出的一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料，基体中SiC含量为10-30vol%，碳球含量为1-10vol%，其余为ZrB₂，其总体积满足100%。

本发明中，以纯度不低于97%的ZrB₂和SiC粉为原料，以纯度不低于99%的碳球为添加剂，ZrB₂的平均粒径为1.5μm，SiC平均粒径为0.45μm, 碳球的粒径小于0.5μm。

本发明提出的一种碳球为添加剂的高韧性二硼化锆-碳化硅复相陶瓷材料的制备方法，具体步骤如下：