一种改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料领域，尤其是涉及一种改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷及其制备方法。

背景技术

氧化铝结构陶瓷不仅具有机械强度高、硬度大、耐化学腐蚀和抗热冲击等优良的综合性能，而且其原料来源广泛，价格相对便宜，在电子机械、纺织、汽车、化工、冶金等领域得到了广泛的应用。随着现代科学技术的发展，工业、能源、交通、空间技术等部门对材料提出了很高的要求。例如磁流体发电的通道材料即要耐高温又要能经受高温、高速气流的冲刷以及各种化学物质的腐。空间技术的发展对航天器的喷嘴、燃烧室内衬、前锥体、尾喷管、喷气发动机叶片等使用的材料要求就更高。石油化工、能源开发等使用的反应装置、热交换器、核燃料装置对材料的耐高温、耐腐蚀、耐磨等的要求也日益严格。在这些场合金属材料是望尘莫及的，陶瓷材料的热稳定性、耐腐蚀性和耐磨损方面的性能通常优于金属。但对单相氧化铝陶瓷材料而言其主要的也是限制其使用的最大问题就是其脆性大。对氧化铝基陶瓷复合材料的研究已引起世界范围的广泛关注。

由于氧化铝的离子键特性使其熔点高达2025℃，导致氧化铝陶瓷的烧结温度普遍较高。由于烧成温度高不仅消耗了大量能源而且对技术设备要求明显提高，从而制备成本高。因此在保证氧化铝陶瓷使用性能的前提下有效降低其烧结温度一直是人们研究的热点之一。

作为陶瓷材料的共同缺点之一，裂纹的存在与扩展必定会导致材料强度的下降。而陶瓷材料对在制造和使用过程中引发的表面裂纹十分敏感如烧结冷却、机加工、热冲击等。常表现为强度的大幅度衰减，材料的可靠性降低，极大地限制了材料的使用范围。如果能够实现裂纹的自愈合不仅可以部分甚至全部恢复由裂纹所引起的衰减的强度。

而且可以大大提高陶瓷构件的可靠性，降低机加工及抛光成本，从而延长结构陶瓷构件的使用寿命。在结构陶瓷领域实现裂纹的自愈合所能带来的理论及实际应用价值十分巨大。

另外如果对氧化铝陶瓷的韧性进行改善，将会极大拓宽该材料的应用领域。现有关于晶须增韧自愈合陶瓷研究，因为增韧效果不明显，会导致陶瓷材料的其他性能如弯曲强度等综合力学性能很差。所以如何以相对较低的成本，较简单的制备工艺、得到可长时间使用具有自愈合功能氧化铝陶瓷仍然是一个急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷及其制备方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：改性SiC晶须的制备：

将SiC晶须、木质素与聚乙烯醇缩丁醛加入至乙醇水溶液中，经超声搅拌、旋蒸、真空干燥后得到所述的改性SiC晶须；

步骤2：制备纳米CaF

将Ca(NO

步骤3：制备具有片状结构的纳米CaF

将所述的纳米CaF

步骤4：制备氧化铝自愈合陶瓷：

将氧化铝粉体、愈合剂、助烧结剂与所述的改性SiC晶须加入到无水乙醇中，超声搅拌后得到混合悬浮液，将所述的混合悬浮液进行一次球磨，然后向其中加入所述的具有片状结构的纳米CaF

进一步，所述的步骤1中的SiC晶须、木质素、聚乙烯醇缩丁醛与乙醇水溶液的固液比为1-10g：0.1-10 g：0.1-10 g：50-200mL；所述的步骤1中的超声搅拌步骤的温度为40-80℃；所述的步骤1中的旋蒸步骤的温度为50-80℃；所述的步骤1中的乙醇水溶液中乙醇的浓度为50-80%。

优选的，所述的步骤1中的SiC晶须、木质素、聚乙烯醇缩丁醛与乙醇水溶液的固液比为1-10g：1-10g：0.1-1g：100-200mL。

木质素是由3种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维网状结构的生物高分子，含有丰富的芳环结构、脂肪族和芳香族羟基以及醌基等活性基团。聚乙烯醇缩丁醛（PVB）分子含有较长支链，具有良好的柔顺性。SiC晶须是有一定长径比的单晶纤维，具有相当好的抗高温性能和很高强度。

所述的改性SiC晶须采用木质素与PVB对SiC晶须进行改性，木质素的羟基以及醌基、PVB长支链与SiC晶须单晶纤维形成多重立体网络结构，使改性SiC晶须的强度显著提高。

进一步，所述的步骤2中的Ca(NO

进一步，所述的步骤2中的超声搅拌步骤的时间为10-60分钟；所述的步骤2中的陈化步骤的时间为1-5小时；所述的步骤2中的离心步骤的时间为10-60分钟。

进一步，所述的步骤3中的正丁醇与蒸馏水的体积比为1:0.1-1；所述的步骤3中的共沸蒸馏处理步骤具体为： 90-95℃油浴加热将溶液中的水分除去后，然后110-120℃油浴加热进行干燥。

进一步，所述的步骤4中的氧化铝粉体、愈合剂、烧结助剂、改性SiC晶须与具有片状结构的纳米CaF

优选的，所述的步骤4中的氧化铝粉体、愈合剂、烧结助剂、改性SiC晶须与具有片状结构的纳米CaF

进一步，所述的步骤4中的一次球磨步骤中混合悬浮液与磨球的质量比为1:5-30；所述的步骤4中的一次球磨步骤的时间为1-10小时；所述的步骤4中的二次球磨步骤的时间为1-10小时；所述的步骤4中的干燥步骤的温度为100-150℃，时间为20-40小时；所述的步骤4中的过筛步骤的筛网的粒径为100-200目；所述的步骤4中的SPS烧结步骤的具体条件为：烧结压力为20-40Mpa，先以200℃/min的升温速率升温至1000℃，再以50℃/min的升温速率升温至1250-1500℃，保压时间为10min。

一种改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷，所述的自愈合陶瓷包括质量比为10-50：1-10：1-10：1-10：1-10的氧化铝粉体、愈合剂、烧结助剂、改性SiC晶须与具有片状结构的纳米CaF

进一步，所述的改性SiC晶须由固液比为1-10g：0.1-10 g：0.1-10 g：50-200mL的SiC晶须、木质素、聚乙烯醇缩丁醛与乙醇水溶液经超声搅拌、旋蒸、真空干燥后得到；所述的具有片状结构的纳米CaF

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明所述的改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷的制备方法采用的改性SiC晶须对陶瓷材料的增韧效果显著，并采用了具有片状结构的纳米CaF

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

下面结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

一种改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：改性SiC晶须的制备：

将5g SiC晶须、1g木质素与0.1g聚乙烯醇缩丁醛加入至100mL70%的乙醇水溶液中，经50℃超声搅拌、55℃旋蒸、真空干燥后得到所述的改性SiC晶须；

步骤2：制备纳米CaF

配置等体积的1mol/L的Ca(NO

步骤3：制备具有片状结构的纳米CaF

将得到的纳米CaF

步骤4：制备氧化铝自愈合陶瓷：

将20g氧化铝粉体、2g硼化铬、2g氧化钙与4g改性SiC晶须加入到150mL无水乙醇中，超声搅拌后得到混合悬浮液，将所述的混合悬浮液进行一次球磨4h，然后向其中加入2g具有片状结构的纳米CaF

称取5g陶瓷粉体加入模具中，进行手工预压，然后放入炉子中，安放好磨具后，关闭舱门进行预压，预压三到五次后开始抽真空，当真空度达到10Pa左右再次预压一次，调整工艺参数，烧结压力为25Mpa，先以200℃/min的升温速率升温至1000℃，再以50℃/min的升温速率升温至1300℃，保压时间为10min，然后启动工艺，待工艺停止后，舱内温度降至120℃以下时即得到产品。

实施例2

一种改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：改性SiC晶须的制备：

将8g SiC晶须、1g木质素与2g聚乙烯醇缩丁醛加入至100mL70%的乙醇水溶液中，经50℃超声搅拌、55℃旋蒸、真空干燥后得到所述的改性SiC晶须；

步骤2：制备纳米CaF

配置等体积的1mol/L的Ca(NO

步骤3：制备具有片状结构的纳米CaF

将得到的纳米CaF

步骤4：制备氧化铝自愈合陶瓷：

将20g氧化铝粉体、2g硼化铬、2g氧化钙与4g改性SiC晶须加入到150mL无水乙醇中，超声搅拌后得到混合悬浮液，将所述的混合悬浮液进行一次球磨4h，然后向其中加入2g具有片状结构的纳米CaF

称取5g陶瓷粉体加入模具中，进行手工预压，然后放入炉子中，安放好磨具后，关闭舱门进行预压，预压三到五次后开始抽真空，当真空度达到10Pa左右再次预压一次，调整工艺参数，烧结压力为25Mpa，先以200℃/min的升温速率升温至1000℃，再以50℃/min的升温速率升温至1300℃，保压时间为10min，然后启动工艺，待工艺停止后，舱内温度降至120℃以下时即得到产品。

实施例3

一种改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：改性SiC晶须的制备：

将5g SiC晶须、1g木质素与0.1g聚乙烯醇缩丁醛加入至100mL70%的乙醇水溶液中，经50℃超声搅拌、55℃旋蒸、真空干燥后得到所述的改性SiC晶须；

步骤2：制备纳米CaF

配置等体积的1mol/L的Ca(NO

步骤3：制备具有片状结构的纳米CaF

将得到的纳米CaF

步骤4：制备氧化铝自愈合陶瓷：

将20g氧化铝粉体、2g硼化铬、2g氧化钙与10g改性SiC晶须加入到150mL无水乙醇中，超声搅拌后得到混合悬浮液，将所述的混合悬浮液进行一次球磨4h，然后向其中加入6g具有片状结构的纳米CaF

称取5g陶瓷粉体加入模具中，进行手工预压，然后放入炉子中，安放好磨具后，关闭舱门进行预压，预压三到五次后开始抽真空，当真空度达到10Pa左右再次预压一次，调整工艺参数，烧结压力为25Mpa，先以200℃/min的升温速率升温至1000℃，再以50℃/min的升温速率升温至1300℃，保压时间为10min，然后启动工艺，待工艺停止后，舱内温度降至120℃以下时即得到产品。

对比例1

一种改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷的制备方法，与实施例1的区别之处仅在于：

步骤1：改性SiC晶须的制备：

将5g SiC晶须、1g木质素与0.1g硅烷偶联剂KH-550加入至100mL70%的乙醇水溶液中，经50℃超声搅拌、55℃旋蒸、真空干燥后得到所述的改性SiC晶须。

对比例2

一种改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷的制备方法，与实施例1的区别之处仅在于：

步骤1：改性SiC晶须的制备：

将5g SiC晶须与1g木质素加入至100mL70%的乙醇水溶液中，经50℃超声搅拌、55℃旋蒸、真空干燥后得到所述的改性SiC晶须。

对比例3

一种改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷的制备方法，与实施例1的区别之处仅在于：

步骤1：改性SiC晶须的制备：

将5g SiC晶须与0.1g聚乙烯醇缩丁醛加入至100mL70%的乙醇水溶液中，经50℃超声搅拌、55℃旋蒸、真空干燥后得到所述的改性SiC晶须。

对比例4

一种SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：制备纳米CaF

配置等体积的1mol/L的Ca(NO

步骤2：制备具有片状结构的纳米CaF

将得到的纳米CaF

步骤3：制备氧化铝自愈合陶瓷：

将20g氧化铝粉体、2g硼化铬、2g氧化钙与4g SiC晶须加入到150mL无水乙醇中，超声搅拌后得到混合悬浮液，将所述的混合悬浮液进行一次球磨4h，然后向其中加入2g具有片状结构的纳米CaF

称取5g陶瓷粉体加入模具中，进行手工预压，然后放入炉子中，安放好磨具后，关闭舱门进行预压，预压三到五次后开始抽真空，当真空度达到10Pa左右再次预压一次，调整工艺参数，烧结压力为25Mpa，先以200℃/min的升温速率升温至1000℃，再以50℃/min的升温速率升温至1300℃，保压时间为10min，然后启动工艺，待工艺停止后，舱内温度降至120℃以下时即得到产品。

对比例5

一种改性SiC晶须增韧氧化铝自愈合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：改性SiC晶须的制备：

将5g SiC晶须、1g木质素与0.1g聚乙烯醇缩丁醛加入至100mL70%的乙醇水溶液中，经50℃超声搅拌、55℃旋蒸、真空干燥后得到所述的改性SiC晶须；

步骤2：制备氧化铝自愈合陶瓷：

将20g氧化铝粉体、2g硼化铬、2g氧化钙与4g改性SiC晶须加入到150mL无水乙醇中，超声搅拌后得到混合悬浮液，将所述的混合悬浮液进行一次球磨4h，然后向其中加入2g纳米CaF

称取5g陶瓷粉体加入模具中，进行手工预压，然后放入炉子中，安放好磨具后，关闭舱门进行预压，预压三到五次后开始抽真空，当真空度达到10Pa左右再次预压一次，调整工艺参数，烧结压力为25Mpa，先以200℃/min的升温速率升温至1000℃，再以50℃/min的升温速率升温至1300℃，保压时间为10min，然后启动工艺，待工艺停止后，舱内温度降至120℃以下时即得到产品。

实施例1-3与对比例1-5制得的产品的力学性能如表1所示，实施例1-3的材料的弯曲强度均显著优于对比例1-5，对比例4由于使用的SiC晶须，没有与具有片状结构的纳米CaF

表1氧化铝陶瓷的力学性能

对实施例1与对比例4-5制得的氧化铝陶瓷在维氏硬度计上进行裂纹的预制，在马弗炉900℃下愈合5h，其弯曲强度的变化如表2所示。

表2氧化铝陶瓷的愈合能力

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。