一种铪铝碳-石墨复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及耐高温陶瓷及其制备技术，提供了一种铪铝碳-石墨复合材料以及原位反应热压制备铪铝碳-石墨复合材料的方法，可以解决铪铝碳陶瓷韧性偏低，可加工性差的问题。具体的工艺流程为：采用一定化学计量比的Hf粉、Al粉和C粉为原料，原料经过物理机械方法混合5～50小时，以5～20MPa的压力冷压成饼状，装入石墨模具中，在通有惰性气体作为保护气(或真空下)的热压炉中加热至1600℃～2400℃原位热压反应0.1～4小时，热压压力为20～40MPa。本发明专利技术可以在较低温度下、短时间内合成高强度、高韧性、高损伤容限、良好可加工性等性能的铪铝碳-石墨复合材料，采用本发明专利技术方法获得的材料可以在大于1600℃的高温下使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及耐高温陶瓷及其制备技术，特别提供了一种铪铝碳-石墨(Hf2Al4C5-graphite)复合材料以及原位反应热压制备铪招碳-石墨复合材料的方法。
技术介绍
铪铝碳(Hf3A13C5、Hf3Al4C^Hf2Al4C5及多相复合)陶瓷材料是新型的耐超高温、抗氧化的三元材料。它们综合了高模量、高硬度、抗氧化、耐腐蚀、高电导率、热导率、较强的破坏容忍性等优点。在航空、航天、核工业、超高温结构件等高新
都有广泛的应用前景。尽管铪铝碳(Hf3A13C5、Hf3Al4C6、Hf2Al4C5及多相复合)陶瓷材料具有如此优异的性能，可加工性方面的困难限制了对其性能的研究与它的应用。引入较弱的第二相颗粒是提高陶瓷韧性及可加工性的有效方法之一，例如，Gao等人向基体Si3N4中引入较弱的BN第二相生 成的复合材料显著的提高了氮化硅陶瓷的强度、韧性和可加工性(Mater. Sci. Eng. A.(材料科学与工程杂志A) 415 (2006) 145)。Hf2 [Al (Si) ] 4C5陶瓷是典型的三元Hf-Al-C结构材料(Scripta Mater.，(材料快报)62 (2010) 427)，同样具有上述的优缺点。但是，目前还没有改善Hf2 [Al (Si)J4C5可加工性和韧性等方面的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种铪铝碳-石墨(Hf2Al4C5-graphite)复合材料及其制备方法，可以解决铪铝碳陶瓷韧性偏低，可加工性差的问题。本专利技术的技术方案如下一种铪铝碳-石墨复合材料，由第二相石墨颗粒和铪铝碳基体组成，石墨颗粒均匀地弥散分布在铪铝碳基体中，其中石墨颗粒的体积百分数为5 30%，石墨颗粒的粒度约为11 32iim。所述铪铝碳-石墨复合材料的制备方法，具体步骤如下I)原料组成及成分范围以单质Hf粉、Al粉和C粉作为原料，其中Hf Al C的摩尔比为2 (3 5) (4 9)。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I 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I(T1Pa)的热压炉中以2 50°C /min(优选为5 30°C /min)的升温速率升至1600°C 2400°C原位热压反应0. I 4小时(优选为0. 5 2小时)，热压压力为20 40MPa (优选为 30MPa)。本专利技术中，Hf粉、Al粉和C粉的粒度为200 400目；采用本专利技术方法获得的铪招碳-石墨复合材料尺寸为①(25 60)mmX (2 30)mm ;所述物理机械方法采用在酒精介质中球磨。本专利技术的特点是I.本专利技术选用原料简单，分别是Hf粉、Al粉和C粉。2.本专利技术采用原位反应热压方法，烧结与致密化同时进行，可以获得致密的铪铝碳-石墨两相复合材料，复合材料力学性能好、纯度高、操作简单、工艺条件容易控制、成本低。3.采用本专利技术方法获得的复合材料在室温下比单一的铪铝碳陶瓷具有更高的断裂韧性和可加工性，并可以在大于1600°C的超高温使用。附图说明图I为Hf2Al4C5-30vol· % graphite复合材料的X-射线衍射图谱。、图2为Hf2Al4C5-20vol· % graphite复合材料的X-射线衍射图谱。图3 (a)-(b)分别为Hf2Al4C5-20vol· % graphite复合材料的抛光腐蚀表面和弯曲断面的扫描电镜照片。图4 为 Hf2[Al (Si)J4C5 和 Hf2Al4C5-20vol. % graphite 复合材料室温至高温弹性模量的对比。具体实施例方式下面通过实施例详述本专利技术。实施例I.原料采用粒度为350目左右的Hf粉100. O克、Al粉31. 4克和C粉27. I克，在酒精介质中球磨12小时，在IOMPa的压力下冷压成饼状，冷压时间30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°C/min的升温速率升至1850°C原位反应热压O. 5小时，热压压力为40MPa。获得的是Hf2Al4C5-IOv0I. % graphite复合材料，石墨颗粒均匀地弥散分布在铪铝碳基体中，石墨颗粒的粒度约为11μπι。铪铝碳-石墨复合材料尺寸为Φ60_Χ10_。本实施例中，铪铝碳-石墨复合材料室温时的动态杨氏模量和剪切模量分别为319和134GPa ;维氏硬度为6. 5GPa ;抗弯强度为288MPa ;断裂韧性为3. 42MPa .m1/2。另外，本实施例中，铪铝碳-石墨复合材料的相对密度为97 %。实施例2.原料采用粒度为300目左右的Hf粉100. O克、Al粉32. 4克和C粉36. 6克，在酒精介质中球磨20小时，在15MPa的压力下冷压成饼状，冷压时间15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°C/min的升温速率升至2000°C原位反应热压I小时，热压压力为35MPa。获得的是Hf2Al4C5-30vol· % graphite复合材料，石墨颗粒均勾地弥散分布在給招碳基体中，石墨颗粒的粒度约为18μηι。給招碳_石墨复合材料尺寸为O50mmX16mm。相应的X-射线衍射图谱列在附图I上。由图I可以看出，复合材料仅由铪铝碳和石墨两相组成，其中铪铝碳陶瓷为主相，含量较多。本实施例中，铪铝碳-石墨复合材料室温时的动态杨氏模量和剪切模量分别为219和90GPa ;维氏硬度为5. 7GPa ;抗弯强度为259MPa ;断裂韧性为3. 82MPa · m1/2。另外，本实施例中，铪铝碳-石墨复合材料的相对密度为96 %。实施例3.原料采用粒度为400目左右的Hf粉100. 0克、Al粉33. 4克和C粉28. 2克，在酒精介质中球磨24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(真空度为10_2Pa)热压炉中以15°C /min的升温速率升至1900°C原位反应热压I小时，热压压力为30MPa。获得的是Hf2Al4C5-20vol. % graphite复合材料，石墨颗粒均匀地弥散分布在铪铝碳基体中，石墨颗粒的粒度约为32iim。铪铝碳-石墨复合材料尺寸为050mmX 15mm。相应的X-射线衍射图谱和晶粒形貌扫描电镜照片分别如附图2和3所示。由图2可以看出，复合材料仅由铪铝碳和石墨两相组成，其中铪铝碳陶瓷为主相，含量较多。从图3(a)中可以看出细条状石墨颗粒均匀分布在铪铝碳陶瓷基体中；从图3(b)中可以看出细条状石墨颗粒被拔出和扭折的现象，这有助于提高材料的韧性。本实施例中，铪铝碳-石墨复合材料室温时的杨氏模量和剪切模量分别为270和114GPa ;维氏硬度为6. OGPa ;抗弯强度为272MPa ;断裂韧性为3. 77MPa m1/2。从动态杨氏 模量和温度的关系曲线(附图4)可以看出该复合材料在1600°C仍能保持很高的高温刚性(254GPa)。另外，本实施例中，铪铝碳-石墨复合材料的相对密度为98%。比较例采用与实施例3相同的工艺制备了单相Hf2[Al(Si)]4C5，其室温时的维氏硬度为15. 5GPa ;动态杨氏模量和剪切模量分别为368和155GPa ;抗弯强度为29本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铪铝碳-石墨复合材料，其特征在于由石墨颗粒第二相和铪铝碳基体组成，石墨颗粒均匀地弥散分布在铪铝碳基体中。其中石墨颗粒弥散相的体积百分数为5 30%，石墨颗粒的粒度为11 32 μ m。2.按照权利要求I所述的铪铝碳-石墨复合材料的制备方法，其特征在于以单质Hf粉、Al粉和C粉作为原料，其中Hf Al C的摩尔比为2 (3 5) (4 9)，原料粉经过物理机械方法混合5 50小时，装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为5 20MPa，冷压时间I 30分钟；在通有惰性气体保护气氛或真空的热压炉内烧结，升温速率为2 .500C /分钟，烧结温度为1600 2400°C、烧结时...

【专利技术属性】
技术研发人员：周延春，粘洪强，包亦望，王京阳，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：