專利名稱：一種制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法，采用化學(xué)氣相沉積 制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷，可以有效地解決了陶瓷在實(shí)際應(yīng)用中的脆性問(wèn)題，提 高陶瓷的韌性。
背景技術(shù)：
脆性是陶瓷材料實(shí)際應(yīng)用中最難突破的瓶頸問(wèn)題，特別是限制其作為一種新型超 高溫材料的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研究者提出了許多解決方法，而在陶瓷基體中引入傳統(tǒng)SiC納米 線(表面光滑)作為增強(qiáng)體以提高其韌性是一種有效的手段，其中，SiC和HfC等陶瓷具 有較高的熔點(diǎn)、相對(duì)低的線膨脹系數(shù)、較高的硬度，被認(rèn)為是作為新型超高溫材料的理想材 料。文 獻(xiàn)"Single-Crystal SiC Nanowires with a Thin Carbon Coating for Stronger andTougher Ceramic Composites，Wen Yang，Hiroshi Araki，Chengchun Tang, SomsriThaveethavorn, Akira Kohyama, Hiroshi Suzuki and Tetsuji Noda· Advanced Materials, 2005 (17) :1519 1523”介紹了一種采用化學(xué)氣相沉積和化學(xué)氣相滲透相結(jié)合 的方法制備出表面含有熱解碳涂層的傳統(tǒng)SiC納米線增韌SiC陶瓷，該方法可通過(guò)調(diào)整熱 解碳涂層的厚度和納米線的含量實(shí)現(xiàn)對(duì)SiC陶瓷的最佳增韌效果，但由于傳統(tǒng)納米線表面 光滑，容易從陶瓷基體中拔出，盡管在其表面制備一定厚度的碳涂層可以在某種程度上強(qiáng) 化納米線與陶瓷基體之間的界面結(jié)合，但是其界面結(jié)合的強(qiáng)化程度畢竟限，因此大大限制 了陶瓷材料的韌性提高程度，如陶瓷材料的韌性僅提高了 72 114%。
發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC 陶瓷的方法，采用化學(xué)氣相沉積制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷，與傳統(tǒng)納米線增韌陶 瓷相比，竹節(jié)狀納米線借助其節(jié)點(diǎn)與其周圍陶瓷基體之間特殊的機(jī)械式聯(lián)鎖增韌機(jī)理，可 以有效地解決了陶瓷在實(shí)際應(yīng)用中的脆性問(wèn)題，提高陶瓷的韌性。技術(shù)方案一種制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法，其特征在于步驟如下步驟1 將質(zhì)量百分比為10 18%的Si粉，20 30%的C粉和52 70%的Si02 粉，置于松脂球磨罐中，球磨混合處理2-4小時(shí)得到粉料；步驟2 將粉料放入石墨坩堝中，粉料厚度為坩堝深度的1/10，然后將石墨用一束 3k炭纖維捆綁后懸掛在坩堝內(nèi)的粉料表面上方；步驟3 將石墨坩堝放入石墨為發(fā)熱體的熱壓真空反應(yīng)爐中，然后重復(fù)三次下述 過(guò)程抽真空30分鐘后使真空度達(dá)到-0. 09MPa,保真空30分鐘，然后通入Ar氣至常壓；步驟4 以5 10°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1550 1650°C，保溫1 3小時(shí)；隨后關(guān)閉電源自然冷卻至室溫得到表面含竹節(jié)狀SiC納米線多孔層的石墨，整個(gè)過(guò) 程中通Ar保護(hù)；步驟5 然后用一束3k炭纖維將表面含竹節(jié)狀SiC納米線多孔層的石墨捆綁后懸 掛于立式雙溫區(qū)沉積爐內(nèi)的高溫區(qū)，HfCl4粉放置在立式雙溫區(qū)沉積爐內(nèi)的底溫區(qū)，然后重 復(fù)三次下述過(guò)程將沉積爐抽真空15分鐘后使真空度達(dá)到-0. 09MPa，靜置10分鐘后通入 Ar氣至常壓；步驟6 通電升溫，以8 12°C /min的升溫速率度對(duì)沉積爐的高溫區(qū)溫度升至 1000 1200°C，以3 5°C /min的升溫速率度對(duì)沉積爐的底溫區(qū)溫度升至400 500°C時(shí)； 然后以300 500ml/min的流量向爐膛內(nèi)通H2氣，以50 150ml/min的流量向爐膛內(nèi)通 CH4氣，并在該溫度下保溫2-4h，隨后關(guān)掉電源自然降溫，整個(gè)過(guò)程通Ar氣保護(hù)。所述石墨打磨拋光后清洗，放入烘箱中烘干。所述Si粉的純度為99. 5%、粒度為300目。所述C粉的純度為99%、粒度為320目。所述SW2粉的純度為分析純、粒度為300目。所述HfCl4粉的純度為分析純、粒度為500目。所述H2的純度大于99. 99 %。所述CH4的純度大于99. 99 %。有益效果本發(fā)明提出的一種制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法，由于采用化學(xué)氣 相沉積制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷，借助竹節(jié)狀納米線的節(jié)點(diǎn)與其周圍陶瓷基 體之間特殊的機(jī)械式聯(lián)鎖增韌機(jī)理，可以有效地解決陶瓷在實(shí)際應(yīng)用中的脆性問(wèn)題，提高 陶瓷的韌性，與背景技術(shù)相比，可將陶瓷材料的韌性提高程度從77 114%提高到1 159%。
圖1 本發(fā)明實(shí)施例2所制備的竹節(jié)狀SiC納米線多孔層結(jié)構(gòu)表面掃描電鏡照片；圖2 本發(fā)明實(shí)施例2所制備的竹節(jié)狀SiC納米線增韌陶瓷表面掃描電鏡照片；圖3 本發(fā)明實(shí)施例2所制備的竹節(jié)狀SiC納米線增韌陶瓷斷面掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例1 將石墨分別用400號(hào)、800號(hào)和1000號(hào)的砂紙依次打磨拋光后用無(wú)水乙 醇洗滌干凈，于烘箱中烘干備用。制備步驟如下步驟1 分別稱取IOg的Si粉，20g的C粉和70g的SW2粉。置于松脂球磨罐中， 將瑪瑙球放入松脂球磨罐中，在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行球磨混合處理池得到粉料；步驟2 將粉料放入石墨坩堝中，粉料厚度為坩堝深度的1/10，然后將烘干后的石 墨用一束I炭纖維捆綁后懸掛在粉料表面的上方；步驟3 將石墨坩堝放入石墨為發(fā)熱體的熱壓真空反應(yīng)爐中，然后重復(fù)三次下述 過(guò)程抽真空30分鐘后使真空度達(dá)到-0. 09MPa,保真空30分鐘，然后通入Ar氣至常壓；
步驟4 以5°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1550°C，保溫3小時(shí)；隨后關(guān)閉電 源自然冷卻至室溫得到表面含竹節(jié)狀SiC納米線多孔層的石墨，整個(gè)過(guò)程中通Ar保護(hù)；隨 后取出石墨坩堝，清理石墨上的炭纖維，在石墨上得到竹節(jié)狀SiC納米線多步驟5 然后用一束3k炭纖維將表面含竹節(jié)狀SiC納米線多孔層的石墨捆綁后懸 掛于立式雙溫區(qū)沉積爐內(nèi)的高溫區(qū)，該材料低端距離爐膛低端380mm ；HfCl4粉放置在立式 雙溫區(qū)沉積爐內(nèi)的底溫區(qū)，然后重復(fù)三次下述過(guò)程將沉積爐抽真空15分鐘后使真空度達(dá) 到-0. 09MPa,靜置10分鐘后通入Ar氣至常壓；步驟6 通電升溫，以8°C /min的升溫速率度對(duì)沉積爐的高溫區(qū)溫度升至1000°C， 以3°C /min的升溫速率度對(duì)沉積爐的底溫區(qū)溫度升至400°C時(shí)；然后以300ml/min的流量 向爐膛內(nèi)通H2氣，以50ml/min的流量向爐膛內(nèi)通CH4氣，并在該溫度下保溫2_4h，隨后關(guān) 掉電源自然降溫，整個(gè)過(guò)程300ml/min的流量向沉積爐內(nèi)通Ar氣保護(hù)，打開(kāi)出氣口，爐膛內(nèi) 保持為常壓狀態(tài)。然后打開(kāi)爐蓋后從爐膛中取出所制備的材料，清理材料上的炭纖維以及石墨得到 竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷。測(cè)試結(jié)果表明在陶瓷基體中引入竹節(jié)狀SiC納米線后， 陶瓷材料的韌性被提高了 126%。實(shí)施例2 將石墨分別用400號(hào)、800號(hào)和1000號(hào)的砂紙依次打磨拋光后用無(wú)水乙 醇洗滌干凈，于烘箱中烘干備用。制備步驟如下步驟1 分別稱取14g的Si粉，25g的C粉和61g的SW2粉。置于松脂球磨罐中， 取瑪瑙球放入松脂球磨罐中，在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行球磨混合處理池，作為粉料；步驟2 將粉料放入石墨坩堝中，粉料厚度為坩堝深度的1/10，然后將石墨用一束 3k炭纖維捆綁后懸掛在坩堝內(nèi)的粉料表面上方；步驟3 將石墨坩堝放入石墨為發(fā)熱體的熱壓真空反應(yīng)爐中，然后重復(fù)三次下述 過(guò)程抽真空30分鐘后使真空度達(dá)到-0. 09MPa，保真空30分鐘，然后通入Ar氣至常壓；步驟4 以7°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1600°C，保溫2小時(shí)；隨后關(guān)閉電 源自然冷卻至室溫得到表面含竹節(jié)狀SiC納米線多孔層的石墨，整個(gè)過(guò)程中通Ar保護(hù)；隨 后取出石墨坩堝，清理石墨上的炭纖維，在石墨上得到竹節(jié)狀SiC納米線多孔層。步驟5 然后用一束3k炭纖維將表面含竹節(jié)狀SiC納米線多孔層的石墨捆綁后懸 掛于立式雙溫區(qū)沉積爐內(nèi)的高溫區(qū)，該材料低端距離爐膛低端400mm ；HfCl4粉放置在立式 雙溫區(qū)沉積爐內(nèi)的底溫區(qū)，然后重復(fù)三次下述過(guò)程將沉積爐抽真空15分鐘后使真空度達(dá) 到-0. 09MPa,靜置10分鐘后通入Ar氣至常壓；步驟6 通電升溫，以10°C /min的升溫速率度對(duì)沉積爐的高溫區(qū)溫度升至 1100°C，以4°C /min的升溫速率度對(duì)沉積爐的底溫區(qū)溫度升至450°C時(shí)；然后以400ml/min 的流量向爐膛內(nèi)通H2氣，以lOOml/min的流量向爐膛內(nèi)通CH4氣，并在該溫度下保溫2_4h， 隨后關(guān)掉電源自然降溫，整個(gè)過(guò)程以300ml/min的流量向沉積爐內(nèi)過(guò)程通Ar氣保護(hù)。然后打開(kāi)爐蓋后從爐膛中取出所制備的材料，清理材料上的炭纖維以及石墨得到 竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷。由圖1可見(jiàn)，化學(xué)氣相沉積獲得的竹節(jié)狀SiC納米線多孔 層是由自由取向、無(wú)規(guī)則分布的竹節(jié)狀納米線構(gòu)成。由圖2可見(jiàn)，制備的竹節(jié)狀SiC納米線 增韌陶瓷結(jié)構(gòu)致密，無(wú)明顯孔洞和裂紋等缺陷。由圖3可見(jiàn)，制備的竹節(jié)狀SiC納米線在陶 瓷基體中取向雜亂、分散均勻。由表1可知，竹節(jié)狀SiC納米線可以明顯提高陶瓷的韌性，在陶瓷基體中引入竹節(jié)狀SiC納米線后，陶瓷材料的韌性被提高了 159%。實(shí)施例3 將石墨分別用400號(hào)、800號(hào)和1000號(hào)的砂紙依次打磨拋光后用無(wú)水乙 醇洗滌干凈，于烘箱中烘干備用。制備步驟如下步驟1 分別稱取18g的Si粉，20g的C粉和52g的SW2粉。置于松脂球磨罐中，取 不同數(shù)量不同直徑的瑪瑙球放入松脂球磨罐中，在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行球磨混合處理4h， 作為粉料步驟2 將粉料放入石墨坩堝中，粉料厚度為坩堝深度的1/10，然后將石墨用一束 3k炭纖維捆綁后懸掛在坩堝內(nèi)的粉料表面上方；步驟3 將石墨坩堝放入石墨為發(fā)熱體的熱壓真空反應(yīng)爐中，然后重復(fù)三次下述 過(guò)程抽真空30分鐘后使真空度達(dá)到-0. 09MPa，保真空30分鐘，然后通入Ar氣至常壓；步驟4 以10°C /min升溫速度將爐溫從室溫升至1650°C，保溫1小時(shí)；隨后關(guān)閉 電源自然冷卻至室溫得到表面含竹節(jié)狀SiC納米線多孔層的石墨，整個(gè)過(guò)程中通Ar保護(hù)； 隨后取出石墨坩堝，清理石墨上的炭纖維，在石墨上得到竹節(jié)狀SiC納米線多孔層；步驟5 然后用一束3k炭纖維將表面含竹節(jié)狀SiC納米線多孔層的石墨捆綁后懸 掛于立式雙溫區(qū)沉積爐內(nèi)的高溫區(qū)，該材料低端距離爐膛低端420mm ；HfCl4粉放置在立式 雙溫區(qū)沉積爐內(nèi)的底溫區(qū)，然后重復(fù)三次下述過(guò)程將沉積爐抽真空15分鐘后使真空度達(dá) 到-0. 09MPa,靜置10分鐘后通入Ar氣至常壓；步驟6 通電升溫，以12°C /min的升溫速率度對(duì)沉積爐的高溫區(qū)溫度升至 1200以5°C /min的升溫速率度對(duì)沉積爐的底溫區(qū)溫度升至400 500°C時(shí)；然后以 500ml/min的流量向爐膛內(nèi)通H2氣，以150ml/min的流量向爐膛內(nèi)通CH4氣，并在該溫度下 保溫池，隨后關(guān)掉電源自然降溫，整個(gè)過(guò)程以300ml/min的流量向沉積爐內(nèi)通Ar氣保護(hù)。關(guān)掉電源使?fàn)t膛自然冷卻至室溫，整個(gè)過(guò)程Ar保護(hù)。然后打開(kāi)爐蓋后從爐膛中取 出所制備的材料，清理材料上的炭纖維以及石墨得到竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷。測(cè) 試結(jié)果表明在陶瓷基體中引入竹節(jié)狀SiC納米線后，陶瓷材料的韌性被提高了 141%。所有實(shí)施例中，HfCl4粉是通過(guò)H2和CH4的流動(dòng)將其帶入高溫區(qū)反應(yīng)室內(nèi)。所有實(shí)施例中，Si粉的純度為99. 5%、粒度為300目，C粉的純度為99%、粒度為 320目，SiO2粉的純度分析純、粒度為300目，HfCl4粉的純度為分析純、粒度為500目，氫氣 的純度大于99. 99%，丙稀的純度大于99. 99%。本發(fā)明實(shí)施例2所制備的竹節(jié)狀SiC納米線增韌陶瓷的力學(xué)性能表
權(quán)利要求
1.一種制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法，其特征在于步驟如下步驟1 將質(zhì)量百分比為10 18%的Si粉，20 30%的C粉和52 70%的SiO2粉， 置于松脂球磨罐中，球磨混合處理2-4小時(shí)得到粉料；步驟2 將粉料放入石墨坩堝中，粉料厚度為坩堝深度的1/10，然后將石墨用一束3k炭 纖維捆綁后懸掛在坩堝內(nèi)的粉料表面上方；步驟3 將石墨坩堝放入石墨為發(fā)熱體的熱壓真空反應(yīng)爐中，抽真空30分鐘后使真空 度達(dá)到-0. 09MPa,保真空30分鐘，然后通入Ar氣至常壓，以5 10°C /min升溫速度將爐 溫從室溫升至1550 1650°C，保溫1 3小時(shí)；隨后關(guān)閉電源自然冷卻至室溫得到表面含 竹節(jié)狀SiC納米線多孔層的石墨，整個(gè)過(guò)程中通Ar保護(hù)；步驟4 然后用一束3k炭纖維將表面含竹節(jié)狀SiC納米線多孔層的石墨捆綁后懸掛于 立式雙溫區(qū)沉積爐內(nèi)的高溫區(qū)，HfCl4粉放置在立式雙溫區(qū)沉積爐內(nèi)的底溫區(qū)，然后重復(fù)三 次下述過(guò)程將沉積爐抽真空15分鐘后使真空度達(dá)到-0. 09MPa,靜置10分鐘后通入Ar氣 至常壓；步驟5 通電升溫，以8 12°C /min的升溫速率度對(duì)沉積爐的高溫區(qū)溫度升至1000 1200°C，以3 5°C /min的升溫速率度對(duì)沉積爐的底溫區(qū)溫度升至400 500°C時(shí)；然后以 300 500ml/min的流量向爐膛內(nèi)通H2氣，以50 150ml/min的流量向爐膛內(nèi)通CH4氣， 并在該溫度下保溫2-4h，隨后關(guān)掉電源自然降溫，整個(gè)過(guò)程通Ar氣保護(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法，其特征在于 所述石墨打磨拋光后清洗，放入烘箱中烘干。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法，其特征在于 所述Si粉的純度為99.5%、粒度為300目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法，其特征在于 所述C粉的純度為99%、粒度為320目。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法，其特征在于 所述SiA粉的純度為分析純、粒度為300目。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法，其特征在于 所述HfCl4粉的純度為分析純、粒度為500目。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法，其特征在于 所述H2的純度大于99. 99%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法，其特征在于 所述CH4的純度大于99. 99%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷的方法，采用化學(xué)氣相沉積制備竹節(jié)狀SiC納米線增韌HfC陶瓷，與傳統(tǒng)納米線增韌陶瓷相比，竹節(jié)狀納米線借助其節(jié)點(diǎn)與其周圍陶瓷基體之間特殊的機(jī)械式聯(lián)鎖增韌機(jī)理，可以有效地解決了陶瓷在實(shí)際應(yīng)用中的脆性問(wèn)題，提高陶瓷的韌性。與背景技術(shù)相比，可將陶瓷材料的韌性提高程度從77～114％提高到126～159％。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102126859SQ20111005086
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者付前剛, 李克智, 李賀軍, 王永杰, 褚衍輝 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)