SiC-HfB2双层复合材料的制备方法
阅读说明：本技术 SiC-HfB2双层复合材料的制备方法 (SiC-HfB2Preparation method of double-layer composite material ) 是由 赵宇辉 李建朝 安建良 张茜 田珊珊 郭艳飞 沈丽月 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种SiC-HfB2双层复合材料的制备方法,其包括将SiC粉末、HfO-(2)粉末、B-(4)C粉末分别用无水乙醇进行超声清洗并烘干后,SiC粉末、HfO-(2)粉末和B-(4)C粉末与第一烧结助剂混合并预压成型得到SiC预压层,HfO-(2)粉末和B-(4)C粉末与第二烧结助剂混合与去离子水形成浆料,覆在SiC预压层表面,预压形成SiC-HfO-(2)-B-(4)C预压组合体,对SiC-HfO-(2)-B-(4)C预压组合体进行烧结后得到SiC-HfB-(2)双层复合材料预备体,SiC-HfB-(2)双层复合材料预备体表面处理后得到SiC-HfB-(2)双层复合材料。本发明所述的制备方法制备的SiC-HfB-(2)双层复合材料,有利于规避直接添加HfB-(2)因其本身烧结性差引起的HfB-(2)颗粒分布不均匀,且相对含量较低的问题,由此使得SiC-HfB2双层复合材料具有结合强度高、硬度高等特性。(The invention provides a preparation method of a SiC-HfB2 double-layer composite material, which comprises the steps of mixing SiC powder and HfO 2 Powder B 4 Respectively ultrasonically cleaning and drying the C powder with absolute ethyl alcohol to obtain SiC powder and HfO 2 Powder and B 4 Mixing the C powder with a first sintering aid, and performing pre-pressing to obtain a SiC pre-pressing layer, HfO 2 Powder and B 4 Mixing the C powder with a second sintering aid, mixing the mixture with deionized water to form slurry, covering the surface of the SiC pre-pressing layer, and pre-pressingFormation of SiC-HfO 2 ‑B 4 C pre-pressed composition of SiC-HfO 2 ‑B 4 Sintering the C pre-pressed assembly to obtain SiC-HfB 2 Two-layer composite material preparation, SiC-HfB 2 After the surface of the double-layer composite material preparation is treated, SiC-HfB is obtained 2 A two-layer composite material. SiC-HfB prepared by the preparation method of the invention 2 The double-layer composite material is favorable for avoiding directly adding HfB 2 HfB due to its poor sinterability 2 The particle distribution is not uniform, and the relative content is low, so that the SiC-HfB2 dual-layer composite material has the characteristics of high bonding strength, high hardness and the like.)
技术领域
本发明涉及无机非金属材料技术领域，特别涉及一种SiC-HfB2双层复合材料的制备方法。
背景技术
碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物，又名碳硅石、金刚砂，是一种无机物，化学式为SiC，碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。在C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。碳化硅主要有四大应用领域，即：功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。
而HfB2作为一种具有高熔点(3523K)、高导热系数、高硬度、良好的抗氧化和抗热震性能的超高温陶瓷，可有效改善SiC基涂层在极端氧化环境下的使用寿命。此外，氧化产物HfO2可作为钉扎相，进而提高氧化后形成的SiO2玻璃膜的粘度，并能抑制氧化过程中裂纹的形成及扩展，可以切断外界氧气与碳/碳复合材料基体的接触，从而提高基体高温抗氧化性能。
然而，现有技术存在制备工艺复杂(SAPS法)、成本高(CVD法)、结合强度弱(SD/P法)、涂层厚度难以控制(PC法)、基体损伤严重(PC法)等缺点。此外，传统的PC法制备的涂层由于HfB2本身烧结能力差，涂层中HfB2颗粒分布不均匀，且相对含量较低。因此，传统方法制备的SiC-HfB2基涂层在制备和氧化过程中涂层易产生热应力集中，产生裂纹，最终会导致涂层失效，使得SiC-HfB2双层复合材料的结合强度弱，硬度低。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种SiC-HfB2双层复合材料的制备方法，以制备出高硬度，结合强度高的SiC-HfB2双层复合材料。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种SiC-HfB2双层复合材料的制备方法，所述制备方法包括：
S1、将SiC粉末、HfO2粉末、B4C粉末分别进行超声清洗，并烘干；
S2、将烘干后的所述SiC粉末与第一烧结助剂混合均匀，并经预压制得SiC预压层；将所述HfO2粉末、所述B4C粉末与第二烧结助剂混合均匀，并与去离子水混合制得浆料，将所述浆料涂覆于所述SiC预压层的表面，并经预压制得SiC-HfO2-B4C预压组合体；
S3、将所述SiC-HfO2-B4C预压组合体外包裹包裹体后进行烧结，待反应结束后取出并冷却，取出所述包裹体内制得的SiC-HfB2预制体；
S4、将所述SiC-HfB2预制体进行表面处理，制得SiC-HfB2双层复合材料。
进一步的，步骤S1中所述SiC粉末、所述HfO2粉末以及所述B4C粉末的质量比为2.5～3：5～9：0.5～1.5。
进一步的，步骤S1中，所述SiC粉末的晶粒直径为5nm～800μm；所述HfO2晶粒直径为800μm～1000μm。
进一步的，步骤S1中所述第一烧结助剂采用硅或石墨，所述第二烧结助剂采用石墨。
进一步的，步骤S2中所述的SiC粉末与所述第一烧结助剂的质量比是38～40：1；所述HfO2粉末和所述B4C粉末的质量总和与所述第二烧结助剂和所述去离子水的质量比为25～30：1：5～8。
进一步的，步骤S3中所述包裹体采用铪制成。
进一步的，步骤S3中烧结的压力为18～30Gpa，烧结的温度为1800～2200℃，烧结的保温时间为5～6小时。
进一步的，步骤S4中制得的所述SiC-HfB2双层复合材料的厚度为320～400μm。
进一步的，步骤S1中采用无水乙醇对所述SiC粉末、所述HfO2粉末以及所述B4C粉末进行超声清洗，清洗后的烘干温度为130℃～140℃。
进一步的，步骤S4中所述SiC-HfB2预制体的表面先进行打磨抛光，再使用酸性溶液进行清洗。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明采用SiC粉末、HfO2粉末、B4C粉末为原料，在助剂和高温烧结作用下使两者发生原位反应生成HfB2和CO2，有利于规避直接添加HfB2因其本身烧结性差引起的HfB2颗粒分布不均匀，且相对含量较低的问题，而CO2在高温环境下的良好流动性，起到协同调整涂层整体致密性的作用，由此使得SiC-HfB2双层复合材料具有结合强度高、硬度高等优点。
本发明使用包裹体将SiC-HfO2-B4C预压组合体包裹，能够较好的保护样品，避免样品在高温高压下被污染或混入杂质，从而保证成型效果。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的SiC-HfB2双层复合材料的制备方法的流程图；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“背”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，除本实施例特别说明之外，本实施例中所涉及的各术语及工艺依照现有技术中的一般认知及常规方法进行理解即可。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例一
1.将SiC粉末、HfO2粉末、B4C粉末分别用无水乙醇进行超声清洗，在130℃温度条件下进行烘干处理，其中，SiC粉末、HfO2粉末和B4C粉末的质量比为2.5：5：0.5，SiC粉末的晶粒尺寸采用5nm，HfO2粉末的晶粒尺寸采用800μm。
2.将烘干得到的SiC粉末与Si混匀，质量比是38：1，进行预压成型得到SiC预压层；将HfO2粉末和B4C粉末与石墨混合均匀，并与去离子水混合形成浆料，其中，HfO2粉末和B4C粉末质量总和与第二烧结助剂及去离子水的质量比为25：1：5，然后涂覆在SiC预压层表面，再次进行预压成型，形成SiC-HfO2-B4C预压组合体。
3.使用具有排气通道的金属铪壳体将所得SiC-HfO2-B4C预压组合体进行包裹，放入六面顶压机中，在压力为18Gpa，烧结温度为1800℃的条件下充分反应6小时。反应结束后取出，去除样品外包裹的包裹材料，冷却至室温，得到SiC-HfB2双层复合材料预备体。
4.取出SiC-HfB2双层复合材料预备体，放入打磨机上进行打磨抛光；然后将打磨抛光后的样品放入酸洗池中进行酸洗，得到SiC-HfB2双层复合材料。经检测，所得SiC-HfB2双层复合材料的厚度为320μm～400μm。
实施例二
1.将SiC粉末、HfO2粉末、B4C粉末分别用无水乙醇进行超声清洗，在140℃温度条件下进行烘干处理，其中，SiC粉末、HfO2粉末和B4C粉末的质量比为3：9：1.5，SiC粉末的晶粒尺寸采用800μm，HfO2粉末的晶粒尺寸采用1000μm。
2.将烘干得到的SiC粉末与Si混匀，质量比是38：1，进行预压成型得到SiC预压层；将HfO2粉末和B4C粉末与石墨混合均匀，并与去离子水混合形成浆料，其中，HfO2粉末和B4C粉末质量总和与第二烧结助剂及去离子水的质量比为30：1：8，然后涂覆在SiC预压层表面，再次进行预压成型，形成SiC-HfO2-B4C预压组合体。
3.使用具有排气通道的金属铪壳体将所得SiC-HfO2-B4C预压组合体进行包裹，放入六面顶压机中，在压力为18Gpa，烧结温度为2200℃的条件下充分反应5小时。反应结束后取出，去除样品外包裹的包裹材料，冷却至室温，得到SiC-HfB2双层复合材料预备体。
4.取出SiC-HfB2双层复合材料预备体，放入打磨机上进行打磨抛光；然后将打磨抛光后的样品放入酸洗池中进行酸洗，得到SiC-HfB2双层复合材料。经检测，所得SiC-HfB2双层复合材料的厚度为320μm～400μm。
实施例三
1.将SiC粉末、HfO2粉末、B4C粉末分别用无水乙醇进行超声清洗，在130℃温度条件下进行烘干处理，其中，SiC粉末、HfO2粉末和B4C粉末的质量比为2.8：7：1，SiC粉末的晶粒尺寸采用300μm，HfO2粉末的晶粒尺寸采用900μm。
2.将烘干得到的SiC粉末与Si混匀，质量比是39：1，进行预压成型得到SiC预压层；将HfO2粉末和B4C粉末与石墨混合均匀，并与去离子水混合形成浆料，其中，HfO2粉末和B4C粉末质量总和与第二烧结助剂及去离子水的质量比为26：1：6，然后涂覆在SiC预压层表面，再次进行预压成型，形成SiC-HfO2-B4C预压组合体。
3.使用具有排气通道的金属铪壳体将所得SiC-HfO2-B4C预压组合体进行包裹，放入六面顶压机中，在压力为28Gpa，烧结温度为1900℃的条件下充分反应5小时。反应结束后取出，去除样品外包裹的包裹材料，冷却至室温，得到SiC-HfB2双层复合材料预备体。
4.取出SiC-HfB2双层复合材料预备体，放入打磨机上进行打磨抛光；然后将打磨抛光后的样品放入酸洗池中进行酸洗，得到SiC-HfB2双层复合材料。经检测，所得SiC-HfB2双层复合材料的厚度为320μm～400μm。
实施例四
1.将SiC粉末、HfO2粉末、B4C粉末分别用无水乙醇进行超声清洗，在140℃温度条件下进行烘干处理，其中，SiC粉末、HfO2粉末和B4C粉末的质量比为2.9：8：1.3，SiC粉末的晶粒尺寸采用600μm，HfO2粉末的晶粒尺寸采用950μm。
2.将烘干得到的SiC粉末与Si混匀，质量比是39：1，进行预压成型得到SiC预压层；将HfO2粉末和B4C粉末与石墨混合均匀，并与去离子水混合形成浆料，其中，HfO2粉末和B4C粉末质量总和与第二烧结助剂及去离子水的质量比为28：1：7，然后涂覆在SiC预压层表面，再次进行预压成型，形成SiC-HfO2-B4C预压组合体。
3.使用具有排气通道的金属铪壳体将所得SiC-HfO2-B4C预压组合体进行包裹，放入六面顶压机中，在压力为30Gpa，烧结温度为2100℃的条件下充分反应5小时。反应结束后取出，去除样品外包裹的包裹材料，冷却至室温，得到SiC-HfB2双层复合材料预备体。
4.取出SiC-HfB2双层复合材料预备体，放入打磨机上进行打磨抛光；然后将打磨抛光后的样品放入酸洗池中进行酸洗，得到SiC-HfB2双层复合材料。经检测，所得SiC-HfB2双层复合材料的厚度为320μm～400μm。
实施例五
1.将SiC粉末、HfO2粉末、B4C粉末分别用无水乙醇进行超声清洗，在135℃温度条件下进行烘干处理，其中，SiC粉末、HfO2粉末和B4C粉末的质量比为2.9：9：1.5，SiC粉末的晶粒尺寸采用800μm，HfO2粉末的晶粒尺寸采用900μm。
2.将烘干得到的SiC粉末与Si混匀，质量比是38.5：1，进行预压成型得到SiC预压层；将HfO2粉末和B4C粉末与石墨混合均匀，并与去离子水混合形成浆料，其中，HfO2粉末和B4C粉末质量总和与第二烧结助剂及去离子水的质量比为29：1：8，然后涂覆在SiC预压层表面，再次进行预压成型，形成SiC-HfO2-B4C预压组合体。
3.使用具有排气通道的金属铪壳体将所得SiC-HfO2-B4C预压组合体进行包裹，放入六面顶压机中，在压力为25Gpa，烧结温度为2000℃的条件下充分反应6小时。反应结束后取出，去除样品外包裹的包裹材料，冷却至室温，得到SiC-HfB2双层复合材料预备体。
4.取出SiC-HfB2双层复合材料预备体，放入打磨机上进行打磨抛光；然后将打磨抛光后的样品放入酸洗池中进行酸洗，得到SiC-HfB2双层复合材料。经检测，所得SiC-HfB2双层复合材料的厚度为320μm～400μm。
本发明采用SiC粉末、HfO2粉末、B4C粉末为原料，在助剂和高温烧结作用下使两者发生原位反应生成HfB2和CO2，有利于规避直接添加HfB2因其本身烧结性差引起的HfB2颗粒分布不均匀，且相对含量较低的问题，而CO2在高温环境下的良好流动性，起到协同调整涂层整体致密性的作用。使用包裹体将SiC-HfO2-B4C预压组合体包裹，能够较好的保护样品，避免样品在高温高压下被污染或混入杂质，并通过打磨和酸洗降低基体损伤，成功制备了厚度为320μm～400μm的SiC-HfB2双层复合材料。本发明工艺简单，克服了传统工艺中SiC-HfB2双层复合材料结合强度弱、涂层厚度难以控制的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。