一種鉿鋁碳-石墨復合材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及耐高溫陶瓷及其制備技術，提供了一種鉿鋁碳-石墨復合材料以及原位反應熱壓制備鉿鋁碳-石墨復合材料的方法，可以解決鉿鋁碳陶瓷韌性偏低，可加工性差的問題。具體的工藝流程為：采用一定化學計量比的Hf粉、Al粉和C粉為原料，原料經過物理機械方法混合5～50小時，以5～20MPa的壓力冷壓成餅狀，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體作為保護氣(或真空下)的熱壓爐中加熱至1600℃～2400℃原位熱壓反應0.1～4小時，熱壓壓力為20～40MPa。本發明專利技術可以在較低溫度下、短時間內合成高強度、高韌性、高損傷容限、良好可加工性等性能的鉿鋁碳-石墨復合材料，采用本發明專利技術方法獲得的材料可以在大于1600℃的高溫下使用。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及耐高溫陶瓷及其制備技術，特別提供了一種鉿鋁碳-石墨(Hf2Al4C5-graphite)復合材料以及原位反應熱壓制備鉿招碳-石墨復合材料的方法。
技術介紹
鉿鋁碳(Hf3A13C5、Hf3Al4C^Hf2Al4C5及多相復合)陶瓷材料是新型的耐超高溫、抗氧化的三元材料。它們綜合了高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蝕、高電導率、熱導率、較強的破壞容忍性等優點。在航空、航天、核工業、超高溫結構件等高新
都有廣泛的應用前景。盡管鉿鋁碳(Hf3A13C5、Hf3Al4C6、Hf2Al4C5及多相復合)陶瓷材料具有如此優異的性能，可加工性方面的困難限制了對其性能的研究與它的應用。引入較弱的第二相顆粒是提高陶瓷韌性及可加工性的有效方法之一，例如，Gao等人向基體Si3N4中引入較弱的BN第二相生 成的復合材料顯著的提高了氮化硅陶瓷的強度、韌性和可加工性(Mater. Sci. Eng. A.(材料科學與工程雜志A) 415 (2006) 145)。Hf2 [Al (Si) ] 4C5陶瓷是典型的三元Hf-Al-C結構材料(Scripta Mater.，(材料快報)62 (2010) 427)，同樣具有上述的優缺點。但是，目前還沒有改善Hf2 [Al (Si)J4C5可加工性和韌性等方面的報道。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種鉿鋁碳-石墨(Hf2Al4C5-graphite)復合材料及其制備方法，可以解決鉿鋁碳陶瓷韌性偏低，可加工性差的問題。本專利技術的技術方案如下一種鉿鋁碳-石墨復合材料，由第二相石墨顆粒和鉿鋁碳基體組成，石墨顆粒均勻地彌散分布在鉿鋁碳基體中，其中石墨顆粒的體積百分數為5 30%，石墨顆粒的粒度約為11 32iim。所述鉿鋁碳-石墨復合材料的制備方法，具體步驟如下I)原料組成及成分范圍以單質Hf粉、Al粉和C粉作為原料，其中Hf Al C的摩爾比為2 (3 5) (4 9)。2)制備工藝原料經過物理機械方法混合5 50小時，以5 20MPa的壓力常溫下冷壓成餅狀，冷壓時間I 30分鐘，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體(如氬氣)作為保護氣(或真空下，真空度高于I(T1Pa)的熱壓爐中以2 50°C /min(優選為5 30°C /min)的升溫速率升至1600°C 2400°C原位熱壓反應0. I 4小時(優選為0. 5 2小時)，熱壓壓力為20 40MPa (優選為 30MPa)。本專利技術中，Hf粉、Al粉和C粉的粒度為200 400目；采用本專利技術方法獲得的鉿招碳-石墨復合材料尺寸為①(25 60)mmX (2 30)mm ;所述物理機械方法采用在酒精介質中球磨。本專利技術的特點是I.本專利技術選用原料簡單，分別是Hf粉、Al粉和C粉。2.本專利技術采用原位反應熱壓方法，燒結與致密化同時進行，可以獲得致密的鉿鋁碳-石墨兩相復合材料，復合材料力學性能好、純度高、操作簡單、工藝條件容易控制、成本低。3.采用本專利技術方法獲得的復合材料在室溫下比單一的鉿鋁碳陶瓷具有更高的斷裂韌性和可加工性，并可以在大于1600°C的超高溫使用。附圖說明圖I為Hf2Al4C5-30vol· % graphite復合材料的X-射線衍射圖譜。、圖2為Hf2Al4C5-20vol· % graphite復合材料的X-射線衍射圖譜。圖3 (a)-(b)分別為Hf2Al4C5-20vol· % graphite復合材料的拋光腐蝕表面和彎曲斷面的掃描電鏡照片。圖4 為 Hf2[Al (Si)J4C5 和 Hf2Al4C5-20vol. % graphite 復合材料室溫至高溫彈性模量的對比。具體實施例方式下面通過實施例詳述本專利技術。實施例I.原料采用粒度為350目左右的Hf粉100. O克、Al粉31. 4克和C粉27. I克，在酒精介質中球磨12小時，在IOMPa的壓力下冷壓成餅狀，冷壓時間30分鐘，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體(氬氣)作為保護氣的熱壓爐中以5°C/min的升溫速率升至1850°C原位反應熱壓O. 5小時，熱壓壓力為40MPa。獲得的是Hf2Al4C5-IOv0I. % graphite復合材料，石墨顆粒均勻地彌散分布在鉿鋁碳基體中，石墨顆粒的粒度約為11μπι。鉿鋁碳-石墨復合材料尺寸為Φ60_Χ10_。本實施例中，鉿鋁碳-石墨復合材料室溫時的動態楊氏模量和剪切模量分別為319和134GPa ;維氏硬度為6. 5GPa ;抗彎強度為288MPa ;斷裂韌性為3. 42MPa .m1/2。另外，本實施例中，鉿鋁碳-石墨復合材料的相對密度為97 %。實施例2.原料采用粒度為300目左右的Hf粉100. O克、Al粉32. 4克和C粉36. 6克，在酒精介質中球磨20小時，在15MPa的壓力下冷壓成餅狀，冷壓時間15分鐘，裝入石墨模具中，在通有惰性氣體(氬氣)作為保護氣的熱壓爐中以10°C/min的升溫速率升至2000°C原位反應熱壓I小時，熱壓壓力為35MPa。獲得的是Hf2Al4C5-30vol· % graphite復合材料，石墨顆粒均勾地彌散分布在給招碳基體中，石墨顆粒的粒度約為18μηι。給招碳_石墨復合材料尺寸為O50mmX16mm。相應的X-射線衍射圖譜列在附圖I上。由圖I可以看出，復合材料僅由鉿鋁碳和石墨兩相組成，其中鉿鋁碳陶瓷為主相，含量較多。本實施例中，鉿鋁碳-石墨復合材料室溫時的動態楊氏模量和剪切模量分別為219和90GPa ;維氏硬度為5. 7GPa ;抗彎強度為259MPa ;斷裂韌性為3. 82MPa · m1/2。另外，本實施例中，鉿鋁碳-石墨復合材料的相對密度為96 %。實施例3.原料采用粒度為400目左右的Hf粉100. 0克、Al粉33. 4克和C粉28. 2克，在酒精介質中球磨24小時，在20MPa的壓力下冷壓成餅狀，冷壓時間5分鐘，裝入石墨模具中，在真空(真空度為10_2Pa)熱壓爐中以15°C /min的升溫速率升至1900°C原位反應熱壓I小時，熱壓壓力為30MPa。獲得的是Hf2Al4C5-20vol. % graphite復合材料，石墨顆粒均勻地彌散分布在鉿鋁碳基體中，石墨顆粒的粒度約為32iim。鉿鋁碳-石墨復合材料尺寸為050mmX 15mm。相應的X-射線衍射圖譜和晶粒形貌掃描電鏡照片分別如附圖2和3所示。由圖2可以看出，復合材料僅由鉿鋁碳和石墨兩相組成，其中鉿鋁碳陶瓷為主相，含量較多。從圖3(a)中可以看出細條狀石墨顆粒均勻分布在鉿鋁碳陶瓷基體中；從圖3(b)中可以看出細條狀石墨顆粒被拔出和扭折的現象，這有助于提高材料的韌性。本實施例中，鉿鋁碳-石墨復合材料室溫時的楊氏模量和剪切模量分別為270和114GPa ;維氏硬度為6. OGPa ;抗彎強度為272MPa ;斷裂韌性為3. 77MPa m1/2。從動態楊氏 模量和溫度的關系曲線(附圖4)可以看出該復合材料在1600°C仍能保持很高的高溫剛性(254GPa)。另外，本實施例中，鉿鋁碳-石墨復合材料的相對密度為98%。比較例采用與實施例3相同的工藝制備了單相Hf2[Al(Si)]4C5，其室溫時的維氏硬度為15. 5GPa ;動態楊氏模量和剪切模量分別為368和155GPa ;抗彎強度為29本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種鉿鋁碳-石墨復合材料，其特征在于由石墨顆粒第二相和鉿鋁碳基體組成，石墨顆粒均勻地彌散分布在鉿鋁碳基體中。其中石墨顆粒彌散相的體積百分數為5 30%，石墨顆粒的粒度為11 32 μ m。2.按照權利要求I所述的鉿鋁碳-石墨復合材料的制備方法，其特征在于以單質Hf粉、Al粉和C粉作為原料，其中Hf Al C的摩爾比為2 (3 5) (4 9)，原料粉經過物理機械方法混合5 50小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為5 20MPa，冷壓時間I 30分鐘；在通有惰性氣體保護氣氛或真空的熱壓爐內燒結，升溫速率為2 .500C /分鐘，燒結溫度為1600 2400°C、燒結時...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周延春，粘洪強，包亦望，王京陽，
申請(專利權)人：中國科學院金屬研究所，
類型：發明
國別省市：