一種晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于定向多孔陶瓷材料制備領域，具體涉及一種晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷的制備方法。
【背景技術】
[0002]定向多孔陶瓷材料是一類結構上氣孔呈定向分布特征的多孔陶瓷材料。定向多孔SiC陶瓷制備方法有采用冷凍干燥法、擠出成型和模板法等工藝。然而采用冷凍干燥法、擠出成型制備的定向多孔SiC陶瓷強度和孔筋密度不高；另外采用冷凍干燥法、擠出成型和模板法制備SiC多孔陶瓷時候，往往加入了大量燒結助劑來促進燒結，大大降低純SiC陶瓷的高溫性能，還會引起多孔燒結制品發生較大體積收縮，不利于尺寸較大或形狀復雜工件制備。采用木材SiC多孔陶瓷制備復合材料時，微觀結構內部殘余的大量C和Si則會對定向多孔結構和性能有較大影響。
[0003]專利CN101323524則以碳化硅、碳粉、硅粉和氧化硅為原料利用爐內沿軸向存在溫差分布特征制備了定向多孔SiC陶瓷。隨后，劉光亮等人利用爐內溫度場定向分布特征制備了氣孔具有定向分布特征的定向多孔SiC陶瓷。隨后劉光亮、劉波波等先后采用Si02和Si3N4作為造孔劑制備了氣孔也具有定向分布特征的定向多孔SiC陶瓷，通過調節造孔劑的加入量實現了對定向多孔氣孔率的初步控制。其不足是和利用爐內溫度場定向分布制備的定向多孔SiC陶瓷一樣，制備得到的樣品強度不是很高。申請人等采用Fe203作為造孔劑干壓成型燒結后制備了孔筋密度和強度遠遠高于前者的定向多孔SiC陶瓷，通過調節造孔劑的加入量增加氣孔率從10%左右增加到80%，不同徑向孔徑尺寸也隨之增加了。
[0004]上述方法分別從兩個不同產生定向物質傳輸角度出發制備了定向多孔陶瓷材料。首先采用爐內軸向溫場分布特征制備的定向多孔SiC陶瓷成型工藝中特有的顆粒松散堆積導致制品強度不高。后續采用添加劑干壓成型工藝制備的定向多孔SiC陶瓷則具有較高強度，而且在后續采用不同造孔劑制備定向多孔實驗研究中，申請人等采用硅粉作為造孔劑制備定向多孔SiC陶瓷時，結果發現多孔除了具有結構定向分布特征外，晶界處則發現了大量金屬相，能譜分析結果顯示其組成為W0.63V0.73Τ?11.59Zr4.84。定向多孔SiC陶瓷晶界處含有大量金屬相是研究一大亮點。尤其是對于復合材料來說，界面結構與性能直接影響復合材料的性能，例如界面的形成過程、界面層性質、界面粘合、應力傳遞行為等對宏觀力學性能的影響規律。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷的制備方法，以克服上述現有技術存在的缺陷，本發明制備的復合材料具有較高強度、一定斷裂韌性、較高氣孔率等優點，同時也不存在界面改善添加金屬相，直接可以作為復合材料浸滲增強體。
[0006]為達到上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0007]—種晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一:將造孔劑加入SiC粉料中得到混合物A，然后向混合物A中加入酒精，混合物A和酒精質量比為1:3，隨后采用球磨機進行混料，混料結束后進行干燥得到混合物B ；
[0009]步驟二:向步驟一得到的混合物B中加入PVA水溶液，混勻過120目篩后進行造粒；隨后進行干壓成型得到坯體，坯體干燥后在惰性環境下進行高溫燒結，即可獲得晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷。
[0010]進一步地，步驟一中所述的造孔劑為硅粉，硅粉粒度為250?400目。
[0011]進一步地，步驟一中所述的SiC粉料的平均粒度為6 μπι。
[0012]進一步地，混合物Α中造孔劑的添加量為5?30wt.%。
[0013]進一步地，步驟一中采用球磨機混料的時間為10?12h。
[0014]進一步地，步驟二中PVA水溶液的質量占混合物B及PVA水溶液總質量的3?6 %，其中，PVA水溶液中PVA的質量分數為5?8%。
[0015]進一步地，步驟二中干壓成型的壓力為4?6噸。
[0016]進一步地，步驟二中坯體干燥的條件為100?120°C下保溫8?16h。
[0017]進一步地，步驟二中燒結過程中壓力為0.5?0.9MPa，升溫速率80?120°C /min，升溫至2200?2300 °C后保溫1?2h，然后隨爐降溫至室溫。
[0018]—種晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0019]步驟一:將粒度為300目的硅粉作為造孔劑加入平均粒度為6微米的SiC粉料中得到混合物A，其中造孔劑的添加量為5wt.%，然后向混合物A中加入酒精，混合物A和酒精質量比為1:3，隨后采用球磨機進行混料12h，混料結束后采用旋轉蒸發儀進行干燥得到混合物B ;
[0020]步驟二:向干燥后得到混合物B中加入PVA水溶液，PVA水溶液的質量占混合物B及PVA水溶液總質量的4%，其中，PVA水溶液中PVA的質量分數為6%，混勻過120目篩進行造粒；隨后進行干壓成型得到尺寸為50mmX5mmX5mm的坯體，成型壓力4噸；將坯體放入干燥箱進行干燥，干燥條件為100°C保溫16h，隨后采用西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室的西安金雨機械電器廠型號為ZGRS-160/2.55的中頻電磁感應真空高溫燒結爐進行高溫燒結，燒結氣氛為氬氣，爐壓0.8MPa，升溫速率100 °C /min，升溫至2200 °C后保溫lh，然后隨爐降溫至室溫，即可獲得晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷。
[0021]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:
[0022]本發明方法采用硅粉作為造孔劑工藝簡單，制備的多孔陶瓷具有氣孔定向分布特征，除此之外，顆粒接觸部位二次成核再結晶晶粒也具有定向生長特征；采用本發明方法制得的定向多孔SiC陶瓷孔筋密度可達到2.78?2.95g/cm3，抗折強度可達到15.5?55.5MPa (強度測試壓力平行于軸向)，通過控制加入硅粉含量可以實現對最終制品氣孔率一定程度上控制，氣孔率可以認為是未加添加劑試樣氣孔和添加造孔劑體積百分比的疊加，制備出來的多孔陶瓷氣孔形狀和木材陶瓷類似，所不同之處在于采用硅粉作為添加劑制備的定向多孔陶瓷可以認為是“蝌蚪狀”氣孔在三維上的一個排列。另外本發明方法采用硅粉作為造孔劑制備的定向多孔SiC陶瓷晶界具有金屬相，改變了多孔材料晶界結構，大大改善了多孔材料斷裂韌性，一方面硅粉添加導致定向孔的形成，另一方面導致了殘余金屬相富集與境界上，改變了境界結構，也為后續金屬浸滲制備復合材料帶來了便利。
【附圖說明】
[0023]圖1是實施例1制備的樣品徑向剖面電子掃描形貌圖；
[0024]圖2是實施例1制備的樣品軸向剖面電子掃描形貌圖；
[0025]圖3是實施例1制備的樣品徑向微觀形貌中晶界金屬相微觀形貌；
[0026]圖4是實施例1制備的樣品金屬相能譜圖。
【具體實施方式】
[0027]下面對本發明的實施方式做進一步詳細描述:
[0028]—種晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷的制備方法，包括以下步驟:
[0029]步驟一:以平均粒度為6微米的SiC粉料為主要原料，添加5?30wt.%粒度為250-400目的硅粉作為造孔劑，得到混合物A，然后向混合物A中加入酒精，混合物A和酒精質量比為1:3，隨后采用球磨機進行混料10-12h，混料結束后采用旋轉蒸發儀進行干燥得到混合物B，旋轉蒸發儀可以有效避免在一般靜止干燥過程中不同顆粒因為密度差異引起沉降速度而導致粉料分層和混合不均勻現象；
[0030]步驟二:向干燥后得到混合物B中加入適量PVA (聚乙烯醇)水溶液，PVA水溶液的質量占混合物B及PVA水溶液總質量的3?6%，其中，PVA水溶液中PVA的質量分數為5?8%，混勻過120目篩進行造粒；隨后進行干壓成型得到尺寸大體為50mmX5mmX5mm的坯體，成型壓力4-6噸，采用4-6噸壓力進行成型可以促使顆粒之間實現更大程度上點接觸；將坯體放入干燥箱進行干燥，干燥條件為100?120°C保溫8-16h，隨后采用西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室的西安金雨機械電器廠型號為ZGRS-160/2.55的中頻電磁感應真空高溫燒結爐進行高溫燒結，燒結氣氛為氬氣，爐壓0.5-0.9MPa，升溫速率80-120°C /min，升溫至2200_2300°C后保溫l_2h，然后隨爐降溫至室溫，即可獲得晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷。
[0031]下面結合實施例對本發明做進一步詳細描述:
[0032]實施例1
[0033]步驟一:以平均粒度為6微米的SiC粉料為主要原料，添加5wt.%粒度為300目的硅粉作為造孔劑，得到混合物A，然后向混合物A中加入酒精，混合物A和酒精質量比為1:3，隨后采用球磨機進行混料12h，混料結束后采用旋轉蒸發儀進行干燥得到混合物B ;
[0034]步驟二:向干燥后得到混合物B中加入適量PVA水溶液，PVA水溶液的質量占混合物B及PVA水溶液總質量的4%，其中，PVA水溶液中PVA的質量分數為6%，混勻過120目篩進行造粒；隨后進行干壓成型得到尺寸大體為50mmX5mmX5mm的坯體，成型壓力4噸；將坯體放入干燥箱進行干燥，干燥條件為100°C保溫16h，隨后采用西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室的西安金雨機械電器廠型號為ZGRS-160/2.55的中頻電磁感應真空高溫燒結爐進行高溫燒結，燒結氣氛為氬氣，爐壓0.8MPa，升溫速率100°C /min,升溫至2200°C后保溫lh，然后隨爐降溫至室溫，即可獲得晶界含有金屬相定向多孔SiC陶瓷。
[0035]采用掃描電子顯微鏡對制備得到的定向多孔SiC陶瓷切割后不同徑向上微觀形貌進行觀察；采用陜西科技大學材料科學與工程學院Dmax2200型X射線衍射儀對定向多孔陶瓷物相組成進行研究；采用西安交通大學機械制造系統國家重點實驗室微米X射線三維成像系統對定向多孔陶瓷三維結構進行研究；采用甘肅天水的萬能力學實驗機對制備的多孔體不同徑向抗折強度進行測試；氣孔率、體積密度和孔筋密度測試則采用排水法，制得的定向多孔SiC陶瓷孔筋密度為2.95g/cm3，抗折強度為55.5MPa。
[0036]結果參見圖1至圖4，由圖1可以看出，典型樣品微觀結構的徑向形態中，SiC相尺寸均勻