[发明专利]一种碳化硅复相陶瓷

说明书

本发明涉及一种复合陶瓷，特别是一种基于石墨烯的层状碳化硅/反应烧结碳化硅复相陶瓷，属于复合材料技术领域。一种碳化硅复相陶瓷包括如下原料成分：碳化硅粗粉Ⅰ、碳化硅细粉Ⅱ、石墨烯纳米片、木炭黑、硅粉、分散剂、结合剂；碳化硅粗粉Ⅰ与碳化硅细粉Ⅱ的质量比为100:200‑300。本发明的碳化硅复相陶瓷的体积密度＞3.1g/cm³，抗弯强度＞480MPa，断裂韧性＞5.2MPa·m^1/2，相比单一反应碳化硅陶瓷其力学性能明显改善。

技术领域

本发明涉及一种复合陶瓷，特别是一种基于石墨烯的层状碳化硅/反应烧结碳化硅复相陶瓷，属于复合材料技术领域。

背景技术

反应烧结碳化硅是以碳化硅、碳颗粒为坯体，加热条件下使硅熔融，液相硅在毛细管力的作用下渗入坯体，液相硅同碳颗粒反应形成次生β-SiC颗粒，β-SiC颗粒将坯体中的初始碳化硅颗粒连接起来，同时液相硅填充剩余的孔隙，从而制得致密的碳化硅材料。上述制备过程赋予了反应烧结碳化硅高致密度、低烧结温度、易成型复杂形状部件等优点，因此反应烧结碳化硅在发动机系统、能量转化装置、高温分离领域等有着广泛的应用。

陶瓷材料的性能决定于其化学组成及微观结构。反应烧结碳化硅的组成相包括初始碳化硅、次生碳化硅和游离硅，相组成的均匀性差；尤其是，游离硅的脆性较高，断裂过程中往往成为裂纹扩展的路径。为了提高反应烧结碳化硅的强度、韧性等力学参数，可以加入碳化硼、短纤维、碳化硅晶须、低熔点多元合金等，目的是降低游离硅的含量和尺寸，同时提供多种强韧化机制。然而，上述第二相的引入往往引起反应烧结碳化硅成分不均匀、强度降低，所制备陶瓷的密度一般低于3.10g/cm³，断裂强度一般在300～450MPa之间，所以陶瓷的综合力学性能一般比较低。所以，选择何种第二相作为增强体，从而提高反应烧结碳化硅的强度、韧性等综合性能一直是反应烧结碳化硅性能研究的核心内容。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的上述不足，提供一种力学性能优异的碳化硅复相陶瓷材料。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种碳化硅复相陶瓷，所述的复相陶瓷包括如下原料成分：碳化硅粗粉Ⅰ、碳化硅细粉Ⅱ、石墨烯纳米片、木炭黑、硅粉、分散剂、结合剂。

目前反应烧结碳化硅材料的原料为碳化硅、碳粉和硅粉，碳化硅粉是整个材料的骨架，含量占主体。本发明采用碳化硅粗粉和碳化硅细粉配合使用，是因为粗粉压制成型所形成的孔隙比较大，细粉正好填充这些孔隙，进而提高整个陶瓷的密度。烧结过程中碳与硅发生化学反应，生成次生碳化硅，该次生碳化硅可以结合(粘结)初始的碳化硅，赋予整个陶瓷较高的强度，本发明选用石墨烯纳米片和木炭黑作为反应的碳源，木炭黑生成颗粒状次生碳化硅，石墨烯纳米片生成层状次生碳化硅，而层状次生碳化硅可以显著提高陶瓷的韧性和强度。再者，细粉体都有团聚的趋势，团聚体引起材料结构不均匀、强度降低。本发明中碳化硅细粉、木炭黑需要加分散剂进行分散，尽量使其以单个颗粒的形式存在。加入适量的结合剂再配合后面的干压成型，进一步提高坯体的强度。

在上述碳化硅复相陶瓷中，碳化硅粗粉Ⅰ与碳化硅细粉Ⅱ的质量比为100:200-300。

在上述碳化硅复相陶瓷中，所述碳化硅粗粉Ⅰ的粒径为20-30μm，碳化硅细粉Ⅱ的粒径为3-8μm。

在本发明复相陶瓷中，粗粉形成骨架，细粉填充孔隙进一步加固骨架，经不断试验发现，将碳化硅粗粉和细粉的粒径分别控制在上述范围时，复相陶瓷的力学性能较优，且原料成本较低。且两种粉体的粒径又决定了粉体的配比，在颗粒堆积理论计算的基础上，经不断实验发现，碳化硅粗粉Ⅰ与碳化硅细粉Ⅱ的质量比为100:200-300时，复相陶瓷的力学性能最佳。如果粗粉过多，所形成的孔隙无法填充，陶瓷密度低；粗粉过少，陶瓷的骨架不稳定，力学性能低。

在上述碳化硅复相陶瓷中，所述石墨烯纳米片的厚度为50-300nm，木炭黑的比表面积为10-18m³/g。