一种锆铝硅碳‑碳化硅复合材料及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及耐超高温陶瓷及其制备技术，特别提供了一种锆铝硅碳‑碳化硅(Zr2[Al(Si)]4C5‑SiC)复合材料，以及原位反应热压制备锆铝硅碳‑碳化硅复合材料的方法。
背景技术
锆铝硅碳(Zr2[Al(Si)]4C5)陶瓷是新型的耐超高温、抗氧化的结构材料(J.SolidState Chem.(固态化学杂志)180(2007)1809；J.Am.Ceram.Soc.(美国陶瓷协会志)(2009))。它综合了高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蚀、高电导率、较强的破坏容忍性等优点。在航空、航天、核工业和超高温结构件等高新技术领域都有广泛的应用前景。但作为一种结构材料，它的硬度、强度和韧性偏低，限制了其广泛应用。引入硬质陶瓷颗粒是提高陶瓷强度的有效方法之一，例如，Wan等人用原位热压生成碳化硅增强钛硅碳复合材料显著的提高了钛硅碳(Ti3SiC2)陶瓷的硬度，强度和抗摩擦磨损性能(Ceram.Inter.(陶瓷国际杂志)32(2006)883)。Chen等人用加入氧化铝颗粒增强钛铝碳(Ti3AlC2)陶瓷的硬度、强度、韧性和抗摩擦磨损性能(Scripta Mater.(材料快报)50(2004)897)。但是，目前还没有Zr2[Al(Si)]4C5强化方面的报道。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种力学性能好、纯度高、操作简单、工艺条件容易控制、成本低的锆铝硅碳‑碳化硅(Zr2[Al(Si)]4C5‑SiC)复合材料及其制备方法，可以解决锆铝硅碳陶瓷硬度、强度和韧性偏低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种锆铝硅碳‑碳化硅复合材料，由碳化硅颗粒增强相和锆铝硅碳基体组成，碳化硅颗粒增强相均匀地弥散分布在锆铝硅碳基体中，其中碳化硅颗粒增强相的体积百分数为5～30％。
种锆铝硅碳‑碳化硅复合材料的方法，具体步骤如下：
1)原料组成及成分范围：
以单质Zr粉、Al粉、Si粉和C粉作为原料，其中Zr∶Al∶Si∶C的摩尔比为2∶(3～4)∶(0.5～3.5)∶(4～8)。
2)制备工艺：
原料经过物理机械方法混合5～50小时，以5～20MPa的压力常温下冷压成饼状，冷压时间1～30分钟，装入石墨模具中，在通有惰性气体(如氩气)作为保护气(或真空下，真空度高于10‑1Pa)的热压炉中以2～50℃/min(优选为5～30℃/min)的升温速率升至1600℃～2400℃原位热压反应0.1～4小时(优选为0.5～2小时)，热压压力为20～40MPa(优选为30MPa)。
本发明中，Zr粉、Al粉、Si粉和C粉的粒度为200～400目；采用本发明方法获得的锆铝硅碳‑碳化硅复合材料大小在Φ(25～100)mm×(2～50)mm；所述物理机械方法采用在酒精介质中球磨。
本发明的特点是：
1.本发明选用原料简单，分别是Zr粉、Al粉、Si粉和C粉。
2.本发明通过原位反应热压，烧结与致密化同时进行，获得致密的锆铝硅碳‑碳化硅两相复合材料。
3.采用本发明方法获得的复合材料在室温下比单一的锆铝硅碳陶瓷具有更高的硬度、强度和韧性，并可以在大于1600℃的超高温下使用。
【附图说明】
图1为Zr3[Al(Si)]4C6‑20vol.％SiC复合材料的X‑射线衍射图谱。
图2为Zr3[Al(Si)]4C6‑30vol.％SiC复合材料的X‑射线衍射图谱。
图3为Zr3[Al(Si)]4C6‑30vol.％SiC复合材料的抛光腐蚀表面和弯曲断面的扫描电镜照片；(a)为抛光腐蚀表面；(b)弯曲断面。
图4为Zr3[Al(Si)]4C6和Zr3[Al(Si)]4C6‑30vol.％SiC复合材料高温刚性的对比。
【具体实施方式】
下面通过实施例详述本发明。
实施例1.
原料采用粒度为350目左右的Zr粉100.0克、Al粉53.5克、Si粉19.5克和C粉35.6克，在酒精介质中球磨10小时，在10MPa的压力下冷压成饼状，冷压时间20分钟，装入石墨模具中，在通有惰性气体(氩气)作为保护气的热压炉中以5℃/min的升温速率升至1850℃原位反应热压1小时，热压压力为40MPa。获得的是Zr3[Al(Si)]4C6‑10vol.％SiC复合材料，碳化硅颗粒增强相均匀地弥散分布在锆铝硅碳基体中，锆铝硅碳‑碳化硅复合材料大小在Φ50mm×24mm。
实施例2.
原料采用粒度为300目左右的Zr粉100.0克、Al粉54.3克、Si粉30.2克和C粉42.6克，在酒精介质中球磨10小时，在15MPa的压力下冷压成饼状，冷压时间10分钟，装入石墨模具中，在通有惰性气体(氩气)作为保护气的热压炉中以10℃/min的升温速率升至2000℃原位反应热压1小时，热压压力为30MPa。获得的是Zr3[Al(Si)]4C6‑20vol.％SiC复合材料，碳化硅颗粒增强相均匀地弥散分布在锆铝硅碳基体中，锆铝硅碳‑碳化硅复合材料大小在Φ60mm×18.8mm。相应的X‑射线衍射图谱列在附图1上。
实施例3.
原料采用粒度为400目左右的Zr粉100.0克、Al粉52.1克、Si粉50.3克和C粉47.8克，在酒精介质中球磨15小时，在20MPa的压力下冷压成饼状，冷压时间5分钟，装入石墨模具中，在真空下(真空度为10‑2Pa)的热压炉中以15℃/min的升温速率升至1900℃原位反应热压0.5小时，热压压力为35MPa。获得的是Zr3[Al(Si)]4C6‑30vol.％SiC复合材料，碳化硅颗粒增强相均匀地弥散分布在锆铝硅碳基体中，锆铝硅碳‑碳化硅复合材料大小在Φ70mm×15.8mm。相应的X‑射线衍射图谱，晶粒形貌扫描电镜照片，分别列在附图2‑3上。该复合材料的动态杨氏模量和剪切模量分别为386和163GPa；维氏硬度为16.4GPa；抗弯强度为353MPa；断裂韧性为6.62MPa·m1/2。从动态杨氏模量和温度的关系曲线(附图4)中，还可以看出该复合材料在1600℃仍可以保持很高的高温刚性(323GPa)。
比较例
采用与实施例3相同的工艺制备了单相Zr2[Al(Si)]4C5的维氏硬度为11.7GPa；动态杨氏模量和剪切模量分别为361和153GPa；抗弯强度为302MPa，断裂韧度为3.88MPa·m1/2。从动态杨氏模量和温度的关系曲线(附图4)中，在整个测试温度范围，杨氏模量都低于Zr3[Al(Si)]4C6‑30vol.％SiC复合材料。由此可见，单相Zr2[Al(Si)]4C5的各项力学性能指标均远低于Zr2[Al(Si)]4C5‑SiC复合材料。