一种超高温碳化铪陶瓷纳米粉体的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种超高温碳化铪陶瓷纳米粉体的制备方法，将无水蔗糖均匀分散于去离子水中，加入混合模板剂，搅拌获得均匀透明的前驱溶液，倒入水热釜中，密封后置于电热鼓风干燥箱中反应，然后冷却到室温，过滤分离、洗涤、干燥，最后与铪粉混合，进行真空碳化反应，制备得到HfC纳米颗粒。与现有技术相比，本发明专利技术制备得到的碳化铪陶瓷纳米粉体结晶性较好、分散性较好且形貌可控。

Method for preparing ultra-high temperature hafnium carbide ceramic nano powder

The invention relates to a preparation method of an ultra high temperature hafnium carbide ceramic nano powder, anhydrous sucrose dispersed in deionized water, adding mixed templates, mixed precursor solution uniform and transparent, pour hot water kettle, reaction seal in electrothermal blowing dry box, and then cooled to room temperature, filtration and separation, washing and drying, finally mixed with hafnium powder, vacuum carbonization reaction, the prepared HfC nanoparticles. Compared with the prior art, the hafnium carbide ceramic nano powder prepared by the invention has good crystallinity, good dispersion and controllable morphology.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料领域，尤其是涉及一种超高温碳化铪陶瓷纳米粉体的制备方法。
技术介绍
超高温陶瓷(Ultra-hightemperatureceramics，UHTCs)材料是一种新型的高温耐烧蚀的结构材料，其具有很高的熔点(>2000℃)，高的硬度，在高温条件下具有高的强度，低的热膨胀系数以及具有较好的热物理化学稳定性，高的热导率和电导率。最重要其具有较好的抗烧蚀性能而被应用于超音速飞机和固体火箭的热结构部件，例如喷管，机翼前缘以及发动机的热端部件；同时还应用于高温电极和切削刀具，因此备受广泛的关注。超高温陶瓷大多是元素周期表中第Ⅳ族和Ⅴ族过渡金属元素的碳化物(HfC，ZrC，TaC，NbC)，硼化物(HfB2，ZrB2，TaB2)以及氮化物(HfN，ZrN)，以及一些难熔金属合金和碳/碳复合材料(Ta，W，Ir和C/C复合材料)。目前，碳化物是熔点最高且更耐高温的超高温陶瓷材料，尤其是HfC材料其熔点最高可达到3980℃，热膨胀系数仅为6.73×10-6/℃，密度与其他碳化物相比较为适中(ρ＝12.7g·cm-3)。但是HfC具有以下缺陷而阻止其被广泛应用于航空航天领域，主要有以下几点：一方面，陶瓷熔点较高，难以烧结致密化；其次其作为高温结构材料而言，陶瓷断裂韧性较低(2.1-3.4MPa·m1/2)；最后其作为高温抗烧蚀材料，容易被氧化即当服役温度达到800℃以上有氧环境下材料开始氧化，这也限制了其在高温领域的应用。因此在20世纪末以来，为了解决超高温陶瓷以上缺陷而成为结构材料研究领域的新热点。尤其是HfC陶瓷难以烧结致密化成为当前研究的瓶颈。因此HfC等UTHCs的烧结问题成为近年来国内外研究的热点之一。同时制备纳米HfC陶瓷粉体对其烧结和高温力学方面应用具有重要的意义。HfC纳米颗粒被认为是解决HfC烧结致密化问题的有效方法。传统制备HfC陶瓷粉体的方法是将二氧化铪(HfO2)与碳材料在惰性或还原性气氛中合成粉末，反应温度为1900～2300℃。另外此反应温度较高，很难获得更细小的HfC陶瓷粉体。到目前为止，已报道的制备HfC粉体的方法有以下几种，例如以炭黑与石墨和HfO2为原料，采用碳热还原法制备HfC[Ji-XuanLiu,Yan-MeiKan,Guo-JunZhang.SynthesisofUltra-FineHafniumCarbidePowderanditsPressurelessSintering[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,93(2010)980-986.]、以HfO2和WC为原料，采用反应烧结法制备HfC-W金属陶瓷[Shi-KuanSun,Guo-JunZhang,Ji-XuanLiu,etal.,ReactionSinteringofHfC/WCermetswithHighStrengthandToughness[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,96(2013)867-872.]以及采用HfCl4和酚醛树脂分别作为Hf源和碳源，用溶胶-凝胶法制备纳米HfC粉体及涂层[S.Venugopal1,A.Paul1,B.Vaidhyanathanetal.,Nano-crystallineultrahightemperatureHfB2andHfCpowdersandcoatingsusingaSol-Gelapproach[J].AdvancedCeramicCoatingsandMaterialsforExtremeEnvironments.32(2011)151-160.]。另外采用化学气相沉积法(CVD)制备HfC抗烧蚀涂层[JincuiRen,YuleiZhang,JinhuaLi,etal.,EffectsofdepositiontemperatureandtimeonHfCnanowiressynthesizedbyCVDonSiC-coatedC/Ccomposites[J].CeramicsInternational.42(2016)5623–5628.]和化学气相渗透法(CVI)，反应熔融浸渗法(RMI)以及前驱体浸渍裂解法(PIP)制备超高温陶瓷复合材料[SufangTang,ChenglongHu.Design,PreparationandPropertiesofCarbonFiberReinforcedUltra-HighTemperatureCeramicCompositesforAerospaceApplications:AReview[J].JournalofMaterialsScience&Technology.http://dx.doi.org/10.1016/j.jmst.2016.08.004.]。以上采用的方法制备HfC粉体和涂层的方法，均以HfO2或者HfCl4为原料，需要高于1500℃的条件下发生反应制得，并且采用的石墨粉和炭黑为碳源，无法控制HfC产物的形貌和颗粒尺寸且颗粒易团聚,同时难熔的HfO2在低温下(<1500℃)难以扩散反应。并且以上方法颗粒形貌和尺寸不利于后期HfC陶瓷的烧结，最终影响超高温陶瓷的力学性能及其使用。另外CVD法只能用于沉积HfC涂层且制备效率低，工艺难以控制。CVI，RMI和PIP用于制备超高温陶瓷复合材料，很难获得较为致密的烧结体，并且还可能引入杂质，同时对设备要求较高，工艺时间长和成本高。同时所制备HfC的前驱体难以获得，成本较高。除此之外，近年来UHTCs的烧结方法有放电等离子体烧结(SPS)[OmarCedillos-Barraza,SalvatoreGrasso,NasrinAlNasiri,etal.,Sinteringbehaviour,solidsolutionformationandcharacterisationofTaC,HfCandTaC-HfCfabricatedbysparkplasmasintering[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety36(2016)1539–1548.]，热压烧结(Hotpressing)[LiuyiXiang,LaifeiCheng,YiHou,etal..FabricationandmechanicalpropertiesoflaminatedHfC-SiC/BNceramics[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety34(2014)3635–3640.]以及无压烧结[Ji-XuanLiu,Yan-MeiKan,andGuo-JunZhang.SynthesisofUltra-FineHafniumCarbidePowderanditsPressurelessSintering[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety93(2010)980–986.]。基于以上报道，无论采用SPS烧结还是热压烧结或者无压烧结均需要较高的烧结温度(1800-2400℃)，进而烧结工艺难以控制，对设备要求较高。因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高温碳化铪陶瓷纳米粉体的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)将无水蔗糖均匀分散于去离子水中，磁力搅拌获得均匀透明的蔗糖溶液，然后加入混合模板剂，继续磁力搅拌获得均匀透明的蔗糖前驱溶液；(2)将前驱溶液倒入水热釜中，密封后置于电热鼓风干燥箱中，调节合适的温度进行水热反应；(3)反应结束后自然冷却到室温，打开水热釜，将所得到的纳米材料进行过滤分离并洗涤，再置于电热鼓风干燥箱内干燥，获得纳米碳前驱体；(4)将铪粉与纳米碳前驱体混合，再放入真空管式炉中进行真空碳化反应，制备得到颗粒尺寸为40‑250nm、分散性较好的HfC纳米颗粒，即为产品。

【技术特征摘要】
1.一种超高温碳化铪陶瓷纳米粉体的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)将无水蔗糖均匀分散于去离子水中，磁力搅拌获得均匀透明的蔗糖溶液，然后加入混合模板剂，继续磁力搅拌获得均匀透明的蔗糖前驱溶液；(2)将前驱溶液倒入水热釜中，密封后置于电热鼓风干燥箱中，调节合适的温度进行水热反应；(3)反应结束后自然冷却到室温，打开水热釜，将所得到的纳米材料进行过滤分离并洗涤，再置于电热鼓风干燥箱内干燥，获得纳米碳前驱体；(4)将铪粉与纳米碳前驱体混合，再放入真空管式炉中进行真空碳化反应，制备得到颗粒尺寸为40-250nm、分散性较好的HfC纳米颗粒，即为产品。2.根据权利要求1所述的一种超高温碳化铪陶瓷纳米粉体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的蔗糖溶液的浓度为0.02-0.2g/ml。3.根据权利要求1所述的一种超高温碳化铪陶瓷纳米粉体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的混合模板剂为重量比为1～10∶1～5的聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵，所述的混合模板剂在蔗糖中的质量比为0.05-0.3wt％。4.根据权利要求1所述的一种超高温碳化铪陶瓷纳米粉体的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝巍，赵晓峰，郭芳威，肖平，王欣，王冠，张启晖，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31