一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法

專利名稱：一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管增強(qiáng)陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
碳納米管(CNTs)自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，由于其具有優(yōu)越的力、熱、電學(xué)性能， 一直是納米材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。單壁碳納米管的平均彈性模量為1.25TPa，多壁碳納米管的平均彈性模量在270-950GPa之間，優(yōu)良的力學(xué)性能使其在復(fù)合材料領(lǐng)域有巨大的發(fā)展?jié)摿?。近年?lái)，碳納米管被廣泛用作高分子材料、陶瓷材料的增強(qiáng)相。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于碳納米管增強(qiáng)陶瓷的研究表明，碳納米管可以提高陶瓷材料的力學(xué)性能，但其增韌效果一直未獲得突破性進(jìn)展。在該種材料的制備中有三個(gè)方面的問(wèn)題需要解決碳納米管在基體中的均勻分散；碳納米管與陶瓷基體之間良好的界面結(jié)合；避免碳納米管在燒結(jié)過(guò)程中的破壞，這是實(shí)現(xiàn)碳納米管增強(qiáng)效果的關(guān)鍵。
碳納米管增強(qiáng)陶瓷材料要獲得優(yōu)異的性能，首先需要陶瓷體必須具備較高密實(shí)度，傳統(tǒng)方法往往利用高溫、長(zhǎng)時(shí)燒結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。但在該種陶瓷的燒結(jié)中，高溫、長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)必然導(dǎo)致碳納米管的嚴(yán)重破壞。在碳納米管增強(qiáng)陶瓷材料的燒結(jié)工藝中，研究較多的是熱壓燒結(jié)和放電等離子體燒結(jié)。普通輻射加熱條件，如熱壓燒結(jié)，其升溫速率慢(10-50tVmin)，高溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，有報(bào)道表明對(duì)碳納米管的破壞較為嚴(yán)重，陶瓷斷裂韌性基本無(wú)提高；SPS(spark plasma sintering)燒結(jié)由于升溫速度較快(100-600°C/min)，燒結(jié)溫度低，高溫持續(xù)時(shí)間短，對(duì)碳管破壞較小，因此可以起到避免碳納米管遭受破壞的作用，G-DZhan等人利用該技術(shù)制備出斷裂韌性提高2倍的復(fù)相陶瓷；但Wang, X等人利用同樣的方法制備出的陶瓷，其性能相比純的氧化鋁陶瓷無(wú)較大提高；據(jù)D-T Jiang等人的最新報(bào)道，用SPS燒結(jié)，當(dāng)燒結(jié)溫度超過(guò)115(TC時(shí)，碳管也開(kāi)始發(fā)生破壞。如何避免碳納米管的破壞與陶瓷的燒結(jié)工藝密切相關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，該方法能避免碳納米管被破壞，制備的陶瓷斷裂韌性高。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，其特征在于它包括如下步驟
1) 按碳納米管(CNTs)粉體的質(zhì)量為陶瓷粉體質(zhì)量的0.5wty。-2wt%，選取碳納米管粉體和陶瓷粉體；將碳納米管粉體與陶瓷粉體分散于酒精中，超聲分散2-3h，得漿料；其中酒精的質(zhì)量為陶瓷粉體質(zhì)量的3-10倍；
2) 將所得漿料球磨24-30h，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除酒精，得干燥的混合均勻的復(fù)合粉體；
3) 將所得復(fù)合粉體壓制成圓片狀，得待燒結(jié)物料原坯；4) 選取升溫速度為1600-2900°C/min、燃燒最高溫度為1450。C-2620。C的固體燃燒反應(yīng)物料；(具體升溫速度和燃燒溫度由具體燃燒反應(yīng)物料來(lái)確定，燃燒反應(yīng)物料是根據(jù)待燒結(jié)陶瓷樣品的可發(fā)生燒結(jié)的溫度來(lái)確定的，同種陶瓷可以由不同的燃燒反應(yīng)物料來(lái)燒結(jié)；燒結(jié)時(shí)間由待燒結(jié)陶瓷的性質(zhì)來(lái)確定，可以通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒反應(yīng)物料的量來(lái)實(shí)現(xiàn)；選用的標(biāo)準(zhǔn)是一是可以進(jìn)行包裹，二是燃燒反應(yīng)物料的量可以提供陶瓷燒結(jié)所需的時(shí)間， 一般30-120s是可以完成的；本發(fā)明中的1600-2900°C/min， 1450°C-2620°C， 30s-120s都是從實(shí)際舉例中得出的)；用固體燃燒反應(yīng)物料將待燒結(jié)物料原坯包裹起來(lái)，然后壓制成柱狀坯料備用(待燒結(jié)物料原坯處于柱狀坯料的中心)；
5) 將柱狀坯料置于裝滿石英砂的鋼模中，以鎢絲點(diǎn)燃固體燃燒反應(yīng)物料，引發(fā)燃燒反應(yīng)，熱量被迅速傳遞給待燒結(jié)物料原坯；待燒結(jié)物料原坯獲得1600-2900°C/min的升溫速度；
6) 待固體燃燒反應(yīng)物料達(dá)到最高燃燒溫度時(shí)，對(duì)待燒結(jié)物料原坯施加壓力100-500MPa，保壓30s-120s;同時(shí)固體燃燒反應(yīng)物料的燃燒產(chǎn)生的熱量，使待燒結(jié)物料原坯的溫度在其(即待燒結(jié)物料原坯)發(fā)生燒結(jié)溫度以上持續(xù)30s-120s;
7) 自然冷卻后取出，得碳納米管增強(qiáng)陶瓷。
所述的陶瓷粉體為氧化物陶瓷(以A1A為例)或非氧化物陶瓷(以TiB2為例)。所述的固體燃燒反應(yīng)物料為Cr203、 Al和C， CrA : Al : C的物質(zhì)的量之比為3:6:4;燃燒最高溫度為1660°C，升溫速度為2000°C/min。
所述的固體燃燒反應(yīng)物料為T(mén)i和c， Ti : c的物質(zhì)的量之比為i : i，燃燒最高溫度為
2620°C，升溫速度為2900°C/min。
所述的固體燃燒反應(yīng)物料為T(mén)i、 c和稀釋劑，Ti : c的物質(zhì)的量之比為i : i，稀釋劑為
TiC，稀釋劑的添加量為T(mén)i和C質(zhì)量的40。/。，燃燒最高溫度為1600'C，升溫速度為1800°C/min。
所述的固體燃燒反應(yīng)物料為Cr203、 Al、 C和稀釋劑，Cr203 : Al : C的物質(zhì)的量之比為3 :6 : 4;稀釋劑為A1A，稀釋劑的添加量為CrA+Al+C質(zhì)量的30%,燃燒最高溫度為1450°C，升溫速度為1600°C/min。
本發(fā)明的有益效果是(與已有的制備方法相比)以固體燃燒反應(yīng)物料為碳納米管增強(qiáng)陶瓷的燒結(jié)提供高溫條件，以獲得超快升溫速度(1600-2900°C/min);高溫(145CTC-2620°C)、高壓(100-500MPa)下陶瓷的燒結(jié)在極短時(shí)間(1-2min)內(nèi)完成；此兩點(diǎn)有效避免了碳納米管的破壞。高溫下施加高的機(jī)械壓力，使陶瓷基體和碳納米管間形成良好的界面結(jié)合，使其真正發(fā)揮增韌作用，因此陶瓷材料斷裂韌性得到有效提高。
所得碳納米管增強(qiáng)陶瓷樣品經(jīng)過(guò)拋光后用維氏硬度計(jì)測(cè)得硬度，并計(jì)算其斷裂韌性KIC;碳納米管增強(qiáng)(氧化鋁)陶瓷斷裂韌性3. 6-5. 6MPa m1/2;碳納米管增強(qiáng)(二硼化鈦)陶瓷斷裂韌性6. 8-8. 7MPa ra1/2。結(jié)果表明，利用固體燃燒反應(yīng)快速升溫/快速加壓法可以制得性能優(yōu)異的碳納米管增強(qiáng)陶瓷。


圖l是燒結(jié)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2 (a)是實(shí)施例5的CNTs/AlA陶瓷斷面之一照片；圖2 (b)是實(shí)施例5的CNTs/AlA陶瓷斷面之二照片；(圖2a倍數(shù)小，圖2b倍數(shù)大) 圖3是實(shí)施例5的CNTs/AlA陶瓷裂紋擴(kuò)展的SEM圖片；
圖4是實(shí)施例5的CNTs/AlA陶瓷的服TEM圖片(A1203晶粒與CNTs界面結(jié)合情況)； 圖屮l-鋼模，2-石英砂，3-固體燃燒反應(yīng)物料，4-待燒結(jié)物料原坯，5-鎢絲，6-壓力
板，7-熱電偶。
具體實(shí)施例方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不 僅僅局限于下面的實(shí)施例。
實(shí)施例1:
如圖1所示， 一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，它包括如下步驟
1) 按碳納米管(CNTs)粉體的質(zhì)量為A1A粉體質(zhì)量的0.5wt%， A1A粉體為3g，選取 碳納米管粉體和A1A粉體；將碳納米管(CNTs)粉體和氧化鋁粉體(200nm)分散于酒精中， 超聲分散2h，得漿料；其中酒精的質(zhì)量為A1A粉體質(zhì)量的3倍；
2) 將所得漿料球磨24h (球磨介質(zhì)為瑪瑙球)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除酒精，得丁燥的混合均勻 的復(fù)合粉體；
3) 將所得復(fù)合粉體壓制成圓片狀(直徑是20mm,厚度3mm)，得待燒結(jié)物料原坯；
4) 選取Cr20..,+Al+C體系為固體燃燒反應(yīng)物料，CrA : Al : C的物質(zhì)的量之比為3:6: 4,添加A1A稀釋劑0。/。，測(cè)得燃燒最高溫度為166(TC,升溫速度約2000'C/min;用固體燃 燒反應(yīng)物料將待燒結(jié)物料原坯包裹起來(lái)(固體燃燒反應(yīng)物料200g，固體燃燒反應(yīng)物料的用量 為使燒結(jié)所需溫度持續(xù)約60s),然后壓制成柱狀坯料備用(待燒結(jié)物料原坯4處于柱狀坯 料的中心)；
5) 將柱狀坯料置于裝滿石英砂2的鋼模1中，以鎢絲5點(diǎn)燃固體燃燒反應(yīng)物料3，引發(fā) 燃燒反應(yīng)，熱量被迅速傳遞給待燒結(jié)物料原坯，待燒結(jié)物料原坯獲得200(TC/min的升溫速 度；
6) 待固體燃燒反應(yīng)物料達(dá)到最高燃燒溫度166(TC點(diǎn)(由熱電偶7測(cè)得)，對(duì)待燒結(jié)物 料原坯施加壓力500MPa，保壓120s;同時(shí)固體燃燒反應(yīng)物料的燃燒產(chǎn)生的熱量，使待燒結(jié) 物料原坯的溫度在其(即待燒結(jié)物料原坯)可發(fā)生燒結(jié)溫度以上持續(xù)60s;
7) 自然冷卻后取出，得碳納米管增強(qiáng)陶瓷(CNTs/AlA陶瓷)樣品。測(cè)試表明樣品的斷 裂韌性達(dá)到3. 6MPa tn';2。
實(shí)施例2:
一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，它包括如下步驟
1) 按碳納米管(CNTs)粉體的質(zhì)量為T(mén)iB2粉體質(zhì)量的lwt%， TiB2粉體為3g，選取碳納 米管粉體和TiB2粉體；將碳納米管粉體與TiB2粉體分散于酒精中，超聲分散2h，得漿料； 其中酒精的質(zhì)量為T(mén)iBa粉體質(zhì)量的5倍；
2) 將所得漿料球磨24h (球磨介質(zhì)為瑪瑙球)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除酒精，得干燥的混合均勻 的復(fù)合粉體；
53) 將所得復(fù)合粉體壓制成圓片狀(直徑是20mm，厚度3mm)，得待燒結(jié)物料原坯；
4) 選取Ti+C體系為固體燃燒反應(yīng)物料，Ti : C的物質(zhì)的量之比為1 : 1，測(cè)得燃燒最高 溫度為262CTC，升溫速度約290(TC/min;用固體燃燒反應(yīng)物料將待燒結(jié)物料原坯包裹起來(lái)
(固體燃燒反應(yīng)物料100g，固體燃燒反應(yīng)物料的用量為使燒結(jié)所需溫度持續(xù)30s)，然后壓 制成柱狀坯料備用(待燒結(jié)物料原坯處于柱狀坯料的中心)；
5) 將柱狀坯料置于裝滿石英砂的鋼模中，以鎢絲點(diǎn)燃固體燃燒反應(yīng)物料，引發(fā)燃燒反 應(yīng)，熱量被迅速傳遞給待燒結(jié)物料原坯，待燒結(jié)物料原坯獲得290(TC/min的升溫速度；
6) 待固體燃燒反應(yīng)物料達(dá)到最高燃燒溫度262(TC時(shí)，對(duì)待燒結(jié)物料原坯施加壓力 500MPa，保壓120s;同時(shí)固體燃燒反應(yīng)物料的燃燒產(chǎn)生的熱量，使待燒結(jié)物料原坯的溫度在 其(即待燒結(jié)物料原坯)可發(fā)生燒結(jié)溫度以上持續(xù)30s;
7) 自然冷卻后取出，得碳納米管增強(qiáng)陶瓷樣品。測(cè)試表明樣品的斷裂韌性達(dá)到 6.證a ml/2。
實(shí)施例3:
一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，它包括如下步驟
1) 按碳納米管(CNTs)粉體的質(zhì)量為A1A粉體(200nm)質(zhì)量的0. 5wt%， A1A粉體為 3g，選取碳納米管粉體和A1A粉體；將碳納米管粉體與A1A粉體分散于酒精中，超聲分散
2h，得漿料；其中酒精的質(zhì)量為陶瓷粉體質(zhì)量的6倍；
2) 將所得漿料球磨24h (球磨介質(zhì)為瑪瑙球)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除酒精，得干燥的混合均勻 的復(fù)合粉體；
3) 將所得復(fù)合粉體壓制成圓片狀(直徑是20ram，厚度3mm)，得待燒結(jié)物料原坯；
4) 選取H+C+稀釋劑為固體燃燒反應(yīng)物料，Ti : C的物質(zhì)的量之比為1:1，稀釋劑為 TiC，稀釋劑的添加量為T(mén)i和C質(zhì)量的4(m,測(cè)得燃燒最高溫度為1600°C，升溫速度約1800 'C/min;用固體燃燒反應(yīng)物料將待燒結(jié)物料原坯包裹起來(lái)(固體燃燒反應(yīng)物料100g，固體燃 燒反應(yīng)物料的用量為使燒結(jié)所需溫度持續(xù)30s),然后壓制成柱狀坯料備用(待燒結(jié)物料原 坯處于柱狀坯料的中心)；
5) 將柱狀坯料置于裝滿石英砂的鋼模中，以鎢絲點(diǎn)燃固體燃燒反應(yīng)物料，引發(fā)燃燒反 應(yīng)，熱量被迅速傳遞給待燒結(jié)物料原坯，待燒結(jié)物料原坯獲得1800°C/min的升溫速度；
6) 待固體燃燒反應(yīng)物料達(dá)到最高燃燒溫度160(TC時(shí)，對(duì)待燒結(jié)物料原坯施加壓力 lOOMPa，保壓30s;同時(shí)固體燃燒反應(yīng)物料的燃燒產(chǎn)生的熱量，使待燒結(jié)物料原坯的溫度在 其(即待燒結(jié)物料原坯)可發(fā)生燒結(jié)溫度以上持續(xù)30s;
7) 自然冷卻后取出，得碳納米管增強(qiáng)陶瓷(樣品)。測(cè)試表明樣品的斷裂韌性達(dá)到 3. 8MPa ml/2。
實(shí)施例4:
一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，它包括如下步驟
1)按碳納米管(CNTs)粉體的質(zhì)量為A] A粉體(200nm)質(zhì)量的lwt%， A1A粉體為3g， 選取碳納米管粉體和A1A粉體；將碳納米管粉體與六1203粉體分散于酒精中，超聲分散3h，
6得漿料；其中酒精的質(zhì)量為陶瓷粉體質(zhì)量的10倍；
2) 將所得漿料球磨30h (球磨介質(zhì)為瑪瑙球)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除酒精，得干燥的混合均勻 的復(fù)合粉體；
3) 將所得復(fù)合粉體壓制成圓片狀(直徑是20mm，厚度3mm)，得待燒結(jié)物料原坯；
4) 選取CrA、 Al、 C和稀釋劑為固體燃燒反應(yīng)物料，CrA : Al : C的物質(zhì)的量之比為3 : 6 : 4;稀釋劑為AlA,稀釋劑的添加量為Cr203+Al+C質(zhì)量的30%，測(cè)得燃燒最高溫度為1450 °C，升溫速度約160(TC/min;用固體燃燒反應(yīng)物料將待燒結(jié)物料原坯包裹起來(lái)(固體燃燒反 應(yīng)物料300g，固體燃燒反應(yīng)物料的用量為使燒結(jié)所需溫度持續(xù)100s)，然后壓制成柱狀坯 料備用(待燒結(jié)物料原坯處于柱狀坯料的中心)；
5) 將柱狀坯料置于裝滿石英砂的鋼模屮，以鎢絲點(diǎn)燃固體燃燒反應(yīng)物料，引發(fā)燃燒反 應(yīng)，熱量被迅速傳遞給待燒結(jié)物料原坯，待燒結(jié)物料原坯獲得160(TC/min的升溫速度；
6) 待固體燃燒反應(yīng)物料達(dá)到最高燃燒溫度145(TC時(shí)，對(duì)待燒結(jié)物料原坯施加壓力 lOOMPa，保壓120s;同時(shí)固體燃燒反應(yīng)物料的燃燒產(chǎn)生的熱量，使待燒結(jié)物料原坯的溫度在 其(即待燒結(jié)物料原坯)可發(fā)生燒結(jié)溫度以上持續(xù)100s;
7) 自然冷卻后取出，得碳納米管增強(qiáng)陶瓷(樣品)。測(cè)試表明樣品的斷裂韌性達(dá)到 3. 9MPa ml/2。
實(shí)施例5:
一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，它包括如下步驟
1) 按碳納米管(CNTs)粉體的質(zhì)量為A1A粉體(200咖)質(zhì)量的lwt%，八1203粉體為3g， 選取碳納米管粉體和A1A粉體；將碳納米管粉體與六1203粉體分散于酒精中，超聲分散2h， 得漿料；其中酒精的質(zhì)量為A1A粉體質(zhì)量的5倍；
2) 將所得漿料球磨24h (球磨介質(zhì)為瑪瑙球)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除酒精，得干燥的混合均勻 的復(fù)合粉體；
3) 將所得復(fù)合粉體壓制成圓片狀(直徑是20咖，厚度3mm)，得待燒結(jié)物料原坯；
4) 選取Cr20:i+Al+C體系為固體燃燒反應(yīng)物料(Cr20:i : Al : C的物質(zhì)的量之比為3:6:4)， 添加A1A稀釋劑(F。，測(cè)得最高溫度為166(TC，升溫速度約2000°C/min;用固體燃燒反應(yīng)物 料將待燒結(jié)物料原坯包裹起來(lái)(固體燃燒反應(yīng)物料200g，固體燃燒反應(yīng)物料的用量為使燒結(jié) 所需溫度持續(xù)60s)，然后壓制成柱狀坯料備用(待燒結(jié)物料原坯處于柱狀坯料的中心)；
5) 將柱狀坯料置于裝滿石英砂的鋼模中，以鎢絲點(diǎn)燃固體燃燒反應(yīng)物料，引發(fā)燃燒反 應(yīng)，熱量被迅速傳遞給待燒結(jié)物料原坯，待燒結(jié)物料原坯獲得200(TC/min的升溫速度；
6) 待固體燃燒反應(yīng)物料達(dá)到最高燃燒溫度166(TC時(shí)，對(duì)待燒結(jié)物料原坯施加壓力 120MPa，保壓120s;同時(shí)固體燃燒反應(yīng)物料的燃燒產(chǎn)生的熱量，使待燒結(jié)物料原坯的溫度在 其(即待燒結(jié)物料原坯)可發(fā)生燒結(jié)溫度以上持續(xù)60s;
7) 自然冷卻后取出，得碳納米管增強(qiáng)陶瓷(CNTs/AlA樣品)。測(cè)試表明樣品的斷裂韌 性達(dá)到4. 7MPa m1/2，相比同條件下A1A樣品提高約50%。
用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察CNTs/AlA樣品的斷面掃描圖片見(jiàn)圖2，可以看出大量碳納米管從基體中拔出，其在晶粒中和晶界處均有分布，其拔出有利于增韌。碳納米管的橋聯(lián) 機(jī)制也起到很好的增韌作用，在利用維氏硬度計(jì)得到的表面壓痕中，碳納米管在裂紋兩邊形 成明顯的橋聯(lián)結(jié)構(gòu)(圖3)，可以較好的抑制裂紋的擴(kuò)展，起到增韌的作用。用高分辨透射 電鏡(HRTEM)分析樣品中陶瓷基體與碳納米管界面結(jié)合情況(圖4)，可見(jiàn)兩相之間形成了 良好的界面結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)增韌效果的關(guān)鍵；微觀結(jié)構(gòu)分析表明碳納米管起到良好增韌作用， 兩相間界面結(jié)合緊密。 實(shí)施例6:
一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，它包括如下步驟-
1) 按碳納米管(CNTs)粉體的質(zhì)量為T(mén)iB2粉體質(zhì)量的lwt%， TiB2粉體為3g，選取碳納 米管粉體和TiB2粉體；將碳納米管粉體與TiB2粉體分散于酒精中，超聲分散2h，得槳料； 其中酒精的質(zhì)量為T(mén)iB2粉體質(zhì)量的5倍；
2) 將所得漿料球磨24h (球磨介質(zhì)為瑪瑙球)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除酒精，得干燥的混合均勻 的復(fù)合粉體；
3) 將所得復(fù)合粉體壓制成圓片狀(直徑是20mm，厚度3mm)，得待燒結(jié)物料原坯；
4) 選取Ti+C體系為固體燃燒反應(yīng)物料(Ti : C的物質(zhì)的量之比為1:1)，測(cè)得最高溫 度為2620°C，升溫速度約290(TC/min;用固體燃燒反應(yīng)物料將待燒結(jié)物料原坯包裹起來(lái)(固 體燃燒反應(yīng)物料200g，固體燃燒反應(yīng)物料的用量為使燒結(jié)所需溫度持續(xù)120s)，然后壓制 成柱狀坯料備用(待燒結(jié)物料原坯處于柱狀坯料的中心)；
5) 將柱狀坯料置于裝滿石英砂的鋼模中，以鎢絲點(diǎn)燃固體燃燒反應(yīng)物料，引發(fā)燃燒反 應(yīng)，熱量被迅速傳遞給待燒結(jié)物料原坯，待燒結(jié)物料原坯獲得290(TC/min的升溫速度；
6) 待固體燃燒反應(yīng)物料達(dá)到最高燃燒溫度262(TC時(shí)，對(duì)待燒結(jié)物料原坯施加壓力 200MPa，保壓120s;同時(shí)固體燃燒反應(yīng)物料的燃燒產(chǎn)生的熱量，使待燒結(jié)物料原坯的溫度在 其(即待燒結(jié)物料原坯)可發(fā)生燒結(jié)溫度以上持續(xù)120s;
7) 自然冷卻后取出，得碳納米管增強(qiáng)陶瓷(樣品)。測(cè)試表明樣品的斷裂韌性達(dá)到 8. 7MPa m"2。
實(shí)施例7:
一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，它包括如下步驟
1) 按碳納米管(CNTs)粉體的質(zhì)量為A1A粉體(200nm)質(zhì)量的2wt%, A1A粉體為3g， 選取碳納米管粉體和A1A粉體；將碳納米管粉體與Al203粉體分散于酒精中，超聲分散2h， 得漿料；其中酒精的質(zhì)量為A1A粉體質(zhì)量的5倍；
2) 將所得漿料球磨24h (球磨介質(zhì)為瑪瑙球)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除酒精，得干燥的混合均勻 的復(fù)合粉體；
3) 將所得復(fù)合粉體壓制成圓片狀(直徑是20mm，厚度3mm)，得待燒結(jié)物料原坯；
4) 選取Cr20:i+Al+C體系為固體燃燒反應(yīng)物料(其中，CrA : Al : C的物質(zhì)的量之比為3 : 6:4)，添加A1A稀釋劑(B，測(cè)得最高溫度為166(TC,升溫速度約2000°C/min;用固體燃 燒反應(yīng)物料將待燒結(jié)物料原坯包裹起來(lái)(固體燃燒反應(yīng)物料300g，固體燃燒反應(yīng)物料的用量為使燒結(jié)所需溫度持續(xù)100s)，然后壓制成柱狀坯料備用(待燒結(jié)物料原坯處于柱狀坯料的 中心)；
5) 將柱狀坯料置于裝滿石英砂的鋼模中，以鎢絲點(diǎn)燃固體燃燒反應(yīng)物料，引發(fā)燃燒反 應(yīng)，熱量被迅速傳遞給待燒結(jié)物料原坯，待燒結(jié)物料原坯獲得200(TC/min的升溫速度；
6) 待固體燃燒反應(yīng)物料達(dá)到最高燃燒溫度166(TC時(shí)，對(duì)待燒結(jié)物料原坯施加壓力 lOOMPa，保壓120s;同時(shí)固體燃燒反應(yīng)物料的燃燒產(chǎn)生的熱量，使待燒結(jié)物料原坯的溫度在 其(即待燒結(jié)物料原坯)可發(fā)生燒結(jié)溫度以上持續(xù)100s;
7) 自然冷卻后取出，得碳納米管增強(qiáng)陶瓷(樣品)。測(cè)試表明樣品的斷裂韌性達(dá)到 5. 6MPa m172。
權(quán)利要求
1. 一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，其特征在于它包括如下步驟1)按碳納米管粉體的質(zhì)量為陶瓷粉體質(zhì)量的0.5wt％-2wt％，選取碳納米管粉體和陶瓷粉體；將碳納米管粉體與陶瓷粉體分散于酒精中，超聲分散2-3h，得漿料；其中酒精的質(zhì)量為陶瓷粉體質(zhì)量的3-10倍；2)將所得漿料球磨24-30h，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除酒精，得復(fù)合粉體；3)將所得復(fù)合粉體壓制成圓片狀，得待燒結(jié)物料原坯；4)選取升溫速度為1600-2900℃/min、燃燒最高溫度為1450℃-2620℃的固體燃燒反應(yīng)物料；用固體燃燒反應(yīng)物料將待燒結(jié)物料原坯包裹起來(lái)，然后壓制成柱狀坯料備用；5)將柱狀坯料置于裝滿石英砂的鋼模中，以鎢絲點(diǎn)燃固體燃燒反應(yīng)物料，引發(fā)燃燒反應(yīng)，熱量被迅速傳遞給待燒結(jié)物料原坯；6)待固體燃燒反應(yīng)物料達(dá)到最高燃燒溫度時(shí)，對(duì)待燒結(jié)物料原坯施加壓力100-500MPa，保壓30s-120s；同時(shí)固體燃燒反應(yīng)物料的燃燒產(chǎn)生的熱量，使待燒結(jié)物料原坯的溫度在其發(fā)生燒結(jié)溫度以上持續(xù)30s-120s；7)自然冷卻后取出，得碳納米管增強(qiáng)陶瓷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，其特征在于 所述的陶瓷粉體為氧化物陶瓷或非氧化物陶瓷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，其特征在于 所述的固體燃燒反應(yīng)物料為CrA、 Al和C， Cr203 : Al : C的物質(zhì)的量之比為3:6:4;燃燒 最高溫度為1660°C，升溫速度為2000°C/min。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，其特征在于 所述的固體燃燒反應(yīng)物料為T(mén)i和C， Ti : C的物質(zhì)的量之比為1 : 1，燃燒最高溫度為2620 °C，升溫速度為2900°C/min。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，其特征在于所述的固體燃燒反應(yīng)物料為T(mén)i、 c和稀釋劑，Ti: c的物質(zhì)的量之比為i:i，稀釋劑為T(mén)ic，稀釋劑的添加量為T(mén)i和C質(zhì)量的40%,燃燒最高溫度為1600°C，升溫速度為1800°C/min。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，其特征在于 所述的固體燃燒反應(yīng)物料為Cr203、 Al、 C和稀釋劑，Cr203 : Al : C的物質(zhì)的量之比為3:6: 4;稀釋劑為Al203，稀釋劑的添加量為Cr203+Al+C質(zhì)量的30%,燃燒最高溫度為1450°C，升 溫速度為1600°C/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳納米管增強(qiáng)陶瓷的制備方法。一種制備碳納米管增強(qiáng)陶瓷的超快燒結(jié)方法，其特征在于它包括如下步驟用固體燃燒反應(yīng)物料將待燒結(jié)物料原坯包裹起來(lái)；點(diǎn)燃該反應(yīng)物料，反應(yīng)物料發(fā)生高溫燃燒反應(yīng)；高溫反應(yīng)的熱量傳給待燒結(jié)物料原坯，使待燒結(jié)物料原坯快速升致高溫；對(duì)高溫待燒結(jié)物料原坯施加機(jī)械壓力，獲得致密碳納米管增強(qiáng)陶瓷。該方法可以為陶瓷燒結(jié)提供超快升溫速度(1600-2900℃/min)，最高溫度為1450℃-2620℃，且陶瓷燒結(jié)可以在極短時(shí)間內(nèi)完成(1-2min)，有效的避免了碳納米管的破壞；同時(shí)在高溫下施加的較高的機(jī)械壓力(100-500MPa)有利于碳納米管和陶瓷基體間良好界面結(jié)合的形成，因此陶瓷材料斷裂韌性得到有效提高。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101462882SQ20091006061
公開(kāi)日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者傅正義, 張清杰, 張金詠, 皓 王, 王為民, 王玉成, 黃利偉 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)