专利名称：氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种硼化物超高温陶瓷基复合材料及其制备方法。
技术背景硼化物具有高熔点、高热导率、高电导率、良好的化学稳定性及抗热冲击性能；目前以ZrB2-SiC为代表的硼化物超高温陶瓷材料体系，已经受到国际 众多学者的重点关注，但其韧性差的问题一直未能得到很好的解决，韧性值仅 为4 5MPaTn1/2，在很大程度上限制了材料性能的充分发挥。 发明内容本发明目的是为了解决现有硼化物超高温陶瓷基复合材料韧性差的问题， 而提供一种氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料及其制备方法。本发明氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料按体积百分比由70% 80%的硼化物粉末、0 10%的碳化硅颗粒和10% 30%的氧化钇部分稳定氧化 锆颗粒制成；其中氧化钇部分稳定氧化锆颗粒中含氧化钇2m0l% 3mol%;硼 化物粉末为硼化锆粉末或硼化铪粉末。制备氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料的方法按以下步骤实现 一、按复合材料总体积比将70% 80%的硼化物粉末、0 10%的碳化硅颗粒 和10% 30%的氧化钇部分稳定氧化锆颗粒混合；二、将混合物放入无水乙醇 中进行超声波清洗，然后装入球磨机中进行球磨混合，混合后所得浆料再烘干； 三、将烘干后的混合物置于烧结炉中，在烧结气氛为真空或惰性气氛，以10 30°C/min的速度升温到1750 1850°C，保温30 90min，冷却至室温取出， 即得氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料；步骤一所用氧化钇部分稳定氧 化锆中含氧化钇2mol% 3m0l%;歩骤一所用硼化物粉末为硼化锆粉末或硼化 铪粉末。本发明将氧化钇部分稳定氧化锆引入到硼化物超高温陶瓷基材料体系中， 以改善其韧性，得到氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料，材料应用过程 中在9S(TC时会发生四方相氧化锆向单斜相氧化锆转变，此外，材料在受到载荷作用时，由于内应力的作用，同样会发生四方相向单斜相转变；这种相变会 产生3% 5%的体积膨胀，在裂纹扩展过程中，使得一部分应变能得以消耗， 延缓裂纹扩展，从而提高材料的断裂韧性。本发明制备工艺简单、成本低，所 得氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料，其韧性值高达6.0 6.8MPa'm1/2， 而且抗弯强度均高于770MPa，也就说在增韧的同时并没有对材料的强度造成 不利的影响，更适合用于超高声速飞行器的端头部件中。
具体实施方式
具体实施方式
一本实施方式氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料按体积百分比由70% 80%的硼化物粉末、0 10%的碳化硅颗粒和10% 30% 的氧化钇部分稳定氧化锆颗粒制成；其中氧化钇部分稳定氧化锆颗粒中含氧化 牵乙2mol% 3m0l%;硼化物粉末为硼化锆粉末或硼化铪粉末。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一的不同是氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料按体积百分比由70%的硼化物粉末、10%的碳化硅颗 粒和20%的氧化钇部分稳定氧化锆颗粒制成。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一的不同是氧化钇部分稳定氧化锆颗粒中含氧化钇3mol%。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四制备氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料的方法按以下步骤实现 一、按复合材料总体积比将70°/。 80%的硼化物粉末、0 10%的碳化硅颗粒和10% 30%的氧化钇部分稳定氧化锆颗粒混合；二、将混合物放入无水乙醇中进行超声波清洗，然后装入球磨机中进行球磨混合，混合后所得浆料再烘千；三、将烘干后的混合物置于烧结炉中，在烧结气氛为真空或惰 性气氛，以10 30°C/min的速度升温到1750 1850°C，保温30 90min，冷却至室温取出，即得氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料；步骤一所用氧化钇部分稳定氧化锆中含氧化钇2mol% 3mol%;歩骤一所用硼化物粉末为硼 化锆粉末或硼化铪粉末。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
四的不同是步骤一中硼化物粉末的粒径均为0.5 10)im，碳化硅颗粒的粒径为0.5 2.0pm，氧化忆部分稳 定氧化锆颗粒的粒径为0.5 2.0(im。其它步骤及参数与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
四的不同是步骤一中硼化物粉末和碳化硅颗粒的质量纯度均大于98%。其它步骤及参数与具体实施方式
四 相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
四的不同是步骤二装入球磨机中进行球磨混合是采用直径为5 10mm的碳化钨或氧化锆磨球，以150 250r/min的速率进行行星式球磨混合。其它步骤及参数与具体实施方式
四相 同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
四的不同是步骤二装入球磨 机中进行球磨混合是采用直径为6 8mm的碳化钨或氧化锆磨球，以200r/min 的速率进行行星式球磨混合。其它步骤及参数与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
四的不同是步骤二中烘干是 在旋转蒸发器上，以50 8(TC的条件蒸发烘干。其它步骤及参数与具体实施 方式四相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
四的不同是步骤二中烘干是在旋转蒸发器上，以6(TC的条件蒸发烘干。其它步骤及参数与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
四的不同是步骤三中在烧结气氛为惰性气氛时，压力为10 50MPa。其它步骤及参数与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
四的不同是步骤三中惰性气氛为氩气或氮气。其它步骤及参数与具殊实施方式四相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
四的不同是步骤三中以l5°C/min的速度升温到1750°C，保温60min。其它步骤及参数与具体实施方 式四相同。
具体实施方式
十四本实施方式制备氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合 材料的方法按以下步骤实现 一、按复合材料总体积比将70%的硼化锆粉末、10%的碳化硅颗粒和20%的氧化钇部分稳定氧化锆颗粒混合；二、将混合物放入无水乙醇中进行超声波清洗，然后装入球磨机中进行球磨混合，混合后所得浆料再烘干；三、将烘干后的混合物置于烧结炉中，在烧结气氛为氮气、压力 为30MPa的条件下，以15。C/min的速度升温到1850°C，保温60min，冷却至室温取出，即得氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料；步骤一所用氧化钇 部分稳定氧化锆中含氧化钇2mol%。本实施方式中所得氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料经测试，韧性 值为6.5 MPa'm1/2，抗弯强度为998.3MPa。
具体实施方式
十五本实施方式制备氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合 材料的方法按以下步骤实现 一、按复合材料总体积比将70%的硼化锆粉末、 10%的碳化硅颗粒和20%的氧化钇部分稳定氧化锆颗粒混合；二、将混合物放 入无水乙醇中进行超声波清洗，然后装入球磨机中进行球磨混合，混合后所得 浆料再烘干；三、将烘干后的混合物置于烧结炉中，在烧结气氛为氩气、压力 为30MPa的条件下，以15。C/min的速度升温到1850°C，保温60min，冷却至 室温取出，即得氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料；步骤一所用氧化钇 部分稳定氧化锆中含氧化钇3mol%。本实施方式中所得氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料经测试，韧性 值为6.8 MPa'm/2，抗弯强度为856.7MPa。
权利要求
1. 氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料，其特征在于氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料按体积百分比由70％～80％的硼化物粉末、0～10％的碳化硅颗粒和10％～30％的氧化钇部分稳定氧化锆颗粒制成；其中氧化钇部分稳定氧化锆颗粒中含氧化钇2mol％～3mol％；硼化物粉末为硼化锆粉末或硼化铪粉末。
2、 根据权利要求1所述的氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料，其 特征在于氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料按体积百分比由70%的硼 化物粉末、10%的碳化硅颗粒和20%的氧化钇部分稳定氧化锆颗粒制成。
3、 制备权利要求1所述的氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料的方 法，其特征在于该方法按以下步骤实现 一、按复合材料总体积比将70% 80% 的硼化物粉末、0 10%的碳化硅颗粒和10% 30%的氧化钇部分稳定氧化锆 颗粒混合；二、将混合物放入无水乙醇中进行超声波清洗，然后装入球磨机中 进行球磨混合，混合后所得浆料再烘干；三、将烘干后的混合物置于烧结炉中， 在烧结气氛为真空或惰性气氛，以10 30°C/min的速度升温到1750 1850°C， 保温30 90min，冷却至室温取出，即得氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合 材料；步骤一所用氧化钇部分稳定氧化锆中含氧化钇2mol。/。 3molM;步骤一 所用硼化物粉末为硼化锆粉末或硼化铪粉末。
4、 根据权利要求3所述的制备氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料 的方法，其特征在于步骤一中硼化物粉末的粒径为0.5 1(Vm，碳化硅颗粒的 粒径为0.5 2.0pm，氧化钇部分稳定氧化锆颗粒的粒径为0.5 2.0pm。
5、 根据权利要求3所述的制备氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料 的方法，其特征在于步骤一中硼化物粉末和碳化硅颗粒的质量纯度均大于 98%。
6、 根据权利要求3所述的制备氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料 的方法，其特征在于步骤二装入球磨机中进行球磨混合是采用直径为5 10mm的碳化钨或氧化锆磨球，以150 250r/min的速率进行行星式球磨混合。
7、 根据权利要求3所述的制备氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料 的方法，其特征在于步骤二中烘干是在旋转蒸发器上，以50 8(TC的条件蒸发烘千。
8、 根据权利要求3所述的制备氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料 的方法，其特征在于步骤三中在烧结气氛为惰性气氛时，压力为10 50MPa。
9、 根据权利要求3所述的制备氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料 的方法，其特征在于步骤三中惰性气氛为氩气或氮气。
10、 根据权利要求3所述的制备氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料 的方法，其特征在于步骤三中以15。C/min的速度升温到1750°C，保温60min。
全文摘要
氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料及其制备方法，它涉及一种硼化物超高温陶瓷基复合材料及其制备方法。它解决了现有硼化物超高温陶瓷基复合材料韧性差的问题。本发明氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料由硼化物粉末、碳化硅颗粒和氧化钇部分稳定氧化锆颗粒加工而成。制备方法如下一、将硼化物粉末、碳化硅颗粒和氧化钇部分稳定氧化锆颗粒混合；二、将混合物进行超声波清洗，然后球磨混合再烘干；三、烘干后的混合物经保温烧结，冷却至室温取出，即得氧化锆增韧硼化物超高温陶瓷基复合材料。本发明制备工艺简单、成本低，所得材料的韧性值高达6.0～6.8MPa·m<sup>1/2</sup>。
文档编号C04B35/622GK101250061SQ20081006420
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者孟松鹤, 张幸红, 李伟杰, 洪长青, 韩文波, 韩杰才 申请人:哈尔滨工业大学