一种具有高导电性、高韧性的碳化硅基复合材料及其制备方法和应用

本发明属于复合材料，具体涉及一种具有高导电性、高韧性的碳化硅基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、sic陶瓷不仅具有高强度、高硬度、耐磨性和耐腐蚀性，还具备优异的化学稳定性、抗氧化性能和抗辐照此功能等，广泛应用于电子、航空航天以及防弹装甲等领域。但是由于sic陶瓷具有脆性、高硬度和高电阻率等特点带来了加工上的挑战，导致加工难度大、成本高，常规加工方法难以实现精密加工，尤其是制造大尺寸或形状复杂的sic陶瓷部件非常困难，这也是其在工程应用中亟待解决的关键问题之一。

2、为了提高sic陶瓷的可加工性，一方面，通过掺杂或添加导电相提升sic陶瓷的导电性，特别是在使用电火花加工(edm)等特定技术时，导电性改善不仅减少了加工过程中的热影响区，还降低了产生裂纹或其他热损伤的风险，具备明显优势。另一方面，提高sic陶瓷的致密性能够增强其结构强度，使材料的微观结构更加均匀，从而减少加工过程中裂纹扩展的风险；同时致密材料具备更优异的机械性能，能够承受更大的应力，从而提升机械加工的稳定性与可控性。此外，韧性提升进一步改善了sic陶瓷在机械加工中的可加工性，尤其在车削、铣削和磨削等工艺中表现更佳。

3、因此，开发一种工艺简单、成本低、实用性强且便于推广的通用策略，来实现sic陶瓷导电性、致密性与韧性的协同提升，能够大幅改善其可加工性，特别是在与电火花加工等高精度加工技术结合时，展现出优越性能，这对于实际应用中复杂形状和高精度加工需求的材料来说，具有极大的实际意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有调控sic陶瓷复合功能策略的不足，提供一种具有高导电性、高韧性的碳化硅基复合材料及其制备方法和应用。该碳化硅基复合材料的制备方法不仅能够在提升sic陶瓷导电性的基础上进一步增强其韧性和致密性，还能够有效降低烧结温度，实现材料性能的全面优化。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种具有高导电性、高韧性的碳化硅基复合材料，该复合材料由含有α相和β相双相结构的sic基体与呈网络状分布的共晶高熵合金组成。二者相互协同作用，不仅有效兼顾了高导电性和高韧性，还能够降低烧结温度，提高材料致密程度，进而实现材料性能的全面优化。

4、进一步地，所述sic基体中α相含量控制在8～15％之间，共晶高熵合金质量为sic质量的2～4％。

5、本发明还提供一种具有高导电性、高韧性的碳化硅基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

6、1)准确称量β-sic粉体和共晶高熵合金粉体，混合均匀并充分干燥后装入石墨模具，所述共晶高熵合金粉体既是导电相也是烧结助剂；

7、2)将石墨模具置于放电等离子烧结炉内并于真空气氛中进行烧结，脱模后得到共晶高熵合金增强碳化硅基复合材料。

8、进一步地，步骤1)中，所述β-sic粉体的粒径为10～45μm。

9、进一步地，步骤1)中，所述共晶高熵合金粉体成分为alcocrfeni2.1、hf0.55cocrfeni2.1、nb0.74cocrfeni2.1、ta0.65cocrfeni2.1、zr0.6cocrfeni2.1、cocrfenihf0.4、cocrfeninb0.45、cocrfenita0.4以及cocrfenizr0.55中的至少一种。

10、进一步地，步骤1)中，所述共晶高熵合金粉体的粒径为0.1～5μm，用量为sic质量的2～4％。

11、进一步地，步骤2)中，所述放电等离子体制备条件为：烧结温度为1700～1900℃，升温速率为150～200℃/min，压力为30～50mpa，保温时间为5～20min。

12、进一步地，步骤2)中，所述共晶高熵合金增强碳化硅基复合材料中的α-sic相含量控制在8～15％之间。

13、本发明还公开了上述具有高导电性、高韧性的碳化硅基复合材料在制备航空航天、防弹装甲、交通运输以及核能工程复合材料方面的应用。共晶高熵合金增强碳化硅基复合材料作为一种非常重要的工程复合材料，在航空航天、防弹装甲、交通运输以及核能领域有广泛的应用前景。

14、本发明的原理如下：一方面，利用共晶高熵合金中高强度相(如具有bcc或hcp结构的金属间化合物)和高塑性相(如fcc相)协同实现在强度和韧性上的平衡优势，在不影响sic基体强度的前提下，有效提升其韧性。另一方面，在sic陶瓷的烧结过程中，共晶高熵合金熔融后形成的液相不仅还能在sic基体中形成导电网络，显著提升sic陶瓷的导电性能；还能作为烧结助剂，降低烧结温度，还能有效降低颗粒间的表面能、促进sic颗粒在高温下更快速的扩散、重排与结合、进而提升材料的致密度，获得更加均匀的微观结构。此外，该液相还能够促进部分β-sic向α-sic相的转变，使sic基体呈现β和α双相结构，进一步增强其韧性。

15、本发明的有益效果是：

16、1、本发明中引入的共晶高熵合金作为导电相，在sic基体中呈网络状分布，显著提升sic陶瓷的导电性能。

17、2、本发明中引入的共晶高熵合金兼具高强度与高韧性，在不影响sic基体强度的前提下，有效提升其韧性。

18、3、本发明中引入的共晶高熵合金在等离子烧结过程中形成的熔融液相作为烧结助剂使用，不仅降低烧结温度、提高致密度，还促进了β-sic向α-sic的转变，进一步增强材料的韧性。

19、4、本发明的制备过程简单，无需使用复杂工艺或额外的特殊设备即可顺利完成。

20、5、本发明提供的制备方法实用性强，适用于其他高温结构陶瓷，具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种具有高导电性、高韧性的碳化硅基复合材料，其特征在于：该复合材料由含有α相和β相双相结构的sic基体与呈网络状分布的共晶高熵合金组成。

2.根据权利要求1所述的一种具有高导电性、高韧性的碳化硅基复合材料，其特征在于：所述sic基体中α相含量控制在8～15％之间，共晶高熵合金质量为sic质量的2～4％。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有高导电性、高韧性的碳化硅基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述β-sic粉体的粒径为10～45μm。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述共晶高熵合金粉体成分为alcocrfeni2.1、hf0.55cocrfeni2.1、nb0.74cocrfeni2.1、ta0.65cocrfeni2.1、zr0.6cocrfeni2.1、cocrfenihf0.4、cocrfeninb0.45、cocrfenita0.4以及cocrfenizr0.55中的至少一种。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述共晶高熵合金粉体的粒径为0.1～5μm，用量为sic质量的2～4％。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述放电等离子体制备条件为：烧结温度为1700～1900℃，升温速率为150～200℃/min，压力为30～50mpa，保温时间为5～20min。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述共晶高熵合金增强碳化硅基复合材料中的α-sic相含量控制在8～15％之间。

9.根据权利要求1或2所述的一种具有高导电性、高韧性的碳化硅基复合材料在制备航空航天、防弹装甲、交通运输以及核能工程复合材料方面的应用。

技术总结
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种具有高导电性、高韧性的碳化硅基复合材料及其制备方法和应用。该碳化硅基复合材料由含有α相和β相双相结构的SiC基体与呈网络状分布的共晶高熵合金组成。二者相互协同作用，不仅有效兼顾了高导电性和高韧性，还能够降低烧结温度，提高材料致密程度，进而实现材料性能的全面优化。本发明采用β‑SiC粉体和共晶高熵合金粉体为原料，利用放电等离子烧结炉在真空气氛中进行烧结制备。该制备方法工艺简单，无需复杂设备或工艺即可实现；同时，其具备较强的实用性，适用于其他高温结构陶瓷材料，展现出广泛的应用前景。

技术研发人员：徐子涵
受保护的技术使用者：安徽工业大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/13