[发明专利]碳化硅复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种碳化硅复合材料，其包括六方碳化硅微粉和TiCx，其中0.4≤x≤1.1，六方碳化硅微粉的体积百分比为50～80vol.％，TiCx的体积百分比为20～50vol.％。制备时，将六方碳化硅微粉和TiCx两种粉末按照不同体积比在行星球磨机里混料，混合均匀后装填入石墨磨具中，进行放电等离子烧结，烧结压力20‑50MPa，烧结温度1600‑1800℃，保温10‑30min，制得碳化硅复合材料。本发明利用非化学计量比碳化钛作为烧结助剂对碳化硅进行活化烧结，成功克服了碳化硅烧结温度高、韧性差的问题，制备的碳化硅复合材料具有较低的烧结温度、较高的硬度和韧性。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种碳化硅复合材料及其制备方法。

背景技术

碳化硅陶瓷具有高温强度大、抗氧化性强、耐磨损性能好、热稳定性佳、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等优良特性。因而，碳化硅陶瓷在石油化工行业中已经被广泛用作各种耐腐蚀用容器及管道；在机械工业中已经被成功地用作各种轴承、切削刀具和机械密封部件；在宇航和汽车工业中也被认为是未来制造燃气轮机、火箭喷嘴和发动机的最有希望的候选材料。

但是，由于碳化硅中的碳原子与硅原子是以共价键相连，并且其共价键性很强，所以其理化性质十分稳定，而在烧结过程中，颗粒的烧结性取决于它的原子扩散性，即取决于其缺陷结构，而共价键化合物的非化学计量成分的偏差都非常窄，位错要冲断共价键而运动也相当困难，这就导致了它的可烧结性很差，所以要想获得致密的碳化硅陶瓷材料，通常需要借助高温(2000-2300℃)或添加烧结助剂等手段，而目前常用的烧结助剂主要有金属氧化物，硼、碳、铝及其化合物等，但是这些较低熔点的烧结助剂的存在可能对其高温抗氧化性有很大的负面作用。同时，由于碳化硅是共价键化合物，其脆性较大，其使用范围并没有达到人们的预期。

张勇等人采用添加了Al₂O₃和Y₂O₃助烧剂的碳化硅微粉为原料，通过放电等离子烧结(SPS)技术快速制备了碳化硅陶瓷，分析了材料致密化过程，并重点研究了烧结工艺参数对材料致密度和力学性能的影响规律。结果表明，当SPS工艺参数的烧结温度和压力分别为1600℃和50MPa时，经过5min的烧结，碳化硅陶瓷的致密度可达到99.1％，硬度为HV2550，断裂韧性达8.34MPa.m1/2，弯曲强度达684MPa。但是这种传统烧结助剂对材料的高温抗氧化以及高温力学性能有较大负面影响[张勇,何新波,曲选辉,等.放电等离子烧结工艺制备致密碳化硅陶瓷[J].机械工程材料,2008,32(3):45-47]。

铁健等人以微纳米SiC为原料，采用六面顶压机在1250℃、4.5GPa、无烧结助剂、不同保温时间条件下烧结SiC陶瓷，优化出最佳保温时间为6min。采用不同添加量Al₂O₃、Y₂O₃(0～15wt.％)烧结助剂超高压烧结SiC陶瓷。结果表明：同时添加Al₂O₃和Y₂O₃为有效低温烧结助剂，在低温超高压烧结条件下，掺杂不同比例烧结助剂SiC陶瓷产生的新相为Al₂Y₄O₉。其中，添加7.5％Al₂O₃、7.5％Y₂O₃，经1250℃、4.5GPa保温保压6min超高压烧结条件下，样品相对密度达99.9％，显微硬度可达到HV2570。虽然实现了SiC陶瓷的低温致密化，但是其实验条件较为苛刻，同时其韧性不足是一大问题[铁健,柳馨,铁生年.六面顶低温超高压烧结制备SiC–Al₂O₃–Y₂O₃陶瓷[J].硅酸盐学报,2017,45(6):841-846]。

发明内容