本发明专利技术属于超高温陶瓷领域，具体为一种原位反应制备MB2‑MC‑BN超高温陶瓷基复合材料的方法。原料由MN粉(M＝Ti,Zr,Hf或Ta)和B4C粉混合而成，在热压炉内进行原位反应热压烧结或在放电等离子体烧结炉内进行反应烧结。在保护气氛下，升温速率为10～100℃/分钟，烧结温度为1900℃～2100℃，烧结时间为10分钟～2小时，烧结压强为20MPa～40MPa，最终得到MB2‑MC‑BN复合材料(M＝Ti,Zr,Hf或Ta)，该复合材料可作为固体火箭发动机的喷管喉衬或超高速飞行器的鼻锥、翼前缘等耐高温结构元件的候选材料。
A method for in situ synthesis of MB2 MC BN ultra high temperature ceramic matrix composites
【技术实现步骤摘要】
一种原位反应制备MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料的方法
本专利技术属于超高温陶瓷领域，具体为一种原位反应制备MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料的方法。
技术介绍
超高温陶瓷一般是指可以在1800℃以上反应气氛中使用，并具有优良的高温抗氧化性能和力学性能的过渡金属硼化物和碳化物材料。在这些材料中，MB2(M＝Ti,Zr,Hf或Ta)和MC(M＝Ti,Zr,Hf或Ta)具有高的熔点、好的化学稳定性、高的弹性模量、高的硬度、良好的导热性等优异的性能，适合于作为固体火箭发动机的喷管喉衬、燃气舵、以及超高速飞行器的鼻锥、端头、翼前缘等耐高温结构元件的候选材料。然而，较差的抗热震性能(文献1，InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2010,28(2):187-190)，极大地限制了这些材料在超高温领域的应用。文献2(Materials&Design,2011,32(1):401-405)报道，通过添加BN可以有效地提高ZrB2基材料的抗热震性能，然而当直接添加BN时，由于BN特殊的片层状结构，非常容易形成卡片房式结构，易引起团聚。因此，迫切需要发展一种方法，可以将BN相引入MB2或MC体系中，来提高它们的抗热震性能，同时又可以避免BN相的团聚。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种原位反应制备MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料的方法，通过原位反应的方法可以将BN相均匀的引入超高温陶瓷基体中，从而可以在提高超高温陶瓷抗热震性能的同时，又避免了BN的团聚。本专利技术的技术方案是：一种原位反应制备MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料的方法，具体步骤如下：(1)原料组成及成分范围：原料由MN粉和B4C粉组成，MN：B4C的摩尔比为2：1，M＝Ti,Zr,Hf或Ta；(2)制备工艺：首先将MN粉和B4C粉按配比称重，经物理机械方法混合8～24小时，烘干过筛；然后将混合好的粉体装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10MPa～20MPa，在保护气氛下原位烧结，升温速率为10～100℃/分钟，烧结温度为1900℃～2100℃，烧结时间为10分钟～2小时，烧结压强为20MPa～40MPa。所述的原位反应制备MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料的方法，原位烧结发生的化学反应为：2MN+B4C→MB2+MC+2BN。所述的原位反应制备MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料的方法，MN粉的粒度范围为1～10微米，B4C粉粒度范围为200～400目。所述的原位反应制备MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料的方法，原位烧结方式为在热压炉内进行热压烧结，或在放电等离子体烧结炉内进行放电等离子体烧结。所述的原位反应制备MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料的方法，原位烧结的保护气氛为氩气或氦气。所述的原位反应制备MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料的方法，物理机械方法混合采用在聚氨酯罐或陶瓷罐中干混，或在酒精介质中球磨。本专利技术的优点及有益效果是：1、工艺简单，成本低。本专利技术通过简单的一步反应热压方法，就可以获得含MB2，MC和BN相的多组分超高温陶瓷基复合材料。2、采用本专利技术获得MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料，其各相分布均匀，可以在提高超高温陶瓷抗热震性能的同时，又避免了BN的团聚。3、采用本专利技术获得MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料，致密度高，合成产物除了目标产物，不存在其他杂质相，保证了合成的材料具有较好的高温力学性能总之，本专利技术方法操作简单、工艺条件容易控制、成本低，同时制备出的材料具有高纯度、高致密度等特点，适合于作固体火箭发动机的喷管喉衬或超高速飞行器的鼻锥、端头、翼前缘等耐高温结构元件等。附图说明图1为原位烧结反应得到的ZrB2-ZrC-BN复合材料的X-射线衍射图谱。图2为原位烧结反应得到的ZrB2-ZrC-BN复合材料表面抛光后的扫描电镜照片。具体实施方式在具体实施过程中，本专利技术是原位反应制备MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料的方法，原料由MN粉(M＝Ti,Zr,Hf或Ta)和B4C粉混合而成，MN：B4C的摩尔比为2：1，在热压炉内进行原位反应热压烧结或在放电等离子体烧结炉内进行反应烧结。在保护气氛下，升温速率为10～100℃/分钟，烧结温度为1900℃～2100℃，烧结时间为10分钟～2小时，烧结压强为20MPa～40MPa，最终得到MB2-MC-BN复合材料(M＝Ti,Zr,Hf或Ta)。复合材料中，MB2占35～50wt％，MC占30～45wt％，BN占10～30wt％，复合材料的相对致密度在95％以上。该复合材料可作为固体火箭发动机的喷管喉衬或超高速飞行器的鼻锥、翼前缘等耐高温结构元件的候选材料。下面，通过实施例和附图进一步详述本专利技术。实施例1本实施例中，首先将粒度为1微米的氮化钛(TiN)粉69.15克和粒度为200目的碳化硼(B4C)粉30.85克，在球磨罐中球磨8小时，烘干后过筛。然后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为20MPa，冷压10分钟后，放入热压炉中热压烧结。升温速率为20℃/分钟，升温的同时压力逐渐加到40MPa，加热到2000℃保温2小时。整个烧结过程都是在氩气保护下进行。本实施例中，制备的复合材料主要由二硼化钛、碳化钛、氮化硼组成，二硼化钛占38.8wt％，碳化钛占33.5wt％，氮化硼占27.7wt％。另外，复合材料的相对致密度为97.3％。实施例2本实施例中，首先将粒度为10微米的氮化铪(HfN)粉87.45克和粒度为300目的碳化硼(B4C)粉12.55克、在球磨罐中球磨24小时，烘干后过筛。然后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为15MPa，冷压10分钟后，放入放电等离子体烧结炉内烧结。升温速率为100℃/分钟，升温的同时压力逐渐加到30MPa，加热到1900℃保温10分钟。整个烧结过程都是在氩气保护下进行。本实施例中，制备的复合材料主要由二硼化铪、碳化铪、氮化硼组成，二硼化铪占45.4wt％，碳化铪占43.3wt％，氮化硼占11.3wt％，。另外，复合材料的相对致密度为98.6％。实施例3本实施例中，首先将粒度为5微米的氮化锆(ZrN)粉79.21克和粒度为400目的碳化硼(B4C)粉20.79克，在球磨罐中球磨16小时，烘干后过筛。然后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为20MPa，冷压10分钟后，放入热压炉中热压烧结。升温速率为20℃/分钟，升温的同时压力逐渐加到40MPa，加热到2100℃保温1小时。整个烧结过程都是在氩气保护下进行。将获得的反应产物进行XRD分析(见图1)，可以发现制备的复合材料由二硼化锆、碳化锆及氮化硼组成，在制备的复合材料中各相实现了均匀的分布(见图2)。本实施例制备的复合材料中，二硼化锆占42.5wt％，碳化锆占38.8wt％，氮化硼占18.7wt％。相对致密度为99.1％，杨氏模量约为200GPa，维氏硬度约为5.7GPa，三点弯曲强度约为342MPa，断裂韧性约为3.4MPa·m1/2，临界抗热震温度约为1300℃。实施例4本实施例中，首先将粒度为10微米的氮化钽(TaN)粉87.59克和粒度为200目的碳化硼(B4C)粉12.41克，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种原位反应制备MB2‑MC‑BN超高温陶瓷基复合材料的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)原料组成及成分范围：原料由MN粉和B4C粉组成，MN：B4C的摩尔比为2：1，M＝Ti,Zr,Hf或Ta；(2)制备工艺：首先将MN粉和B4C粉按配比称重，经物理机械方法混合8～24小时，烘干过筛；然后将混合好的粉体装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10MPa～20MPa，在保护气氛下原位烧结，升温速率为10～100℃/分钟，烧结温度为1900℃～2100℃，烧结时间为10分钟～2小时，烧结压强为20MPa～40MPa。
【技术特征摘要】
1.一种原位反应制备MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)原料组成及成分范围：原料由MN粉和B4C粉组成，MN：B4C的摩尔比为2：1，M＝Ti,Zr,Hf或Ta；(2)制备工艺：首先将MN粉和B4C粉按配比称重，经物理机械方法混合8～24小时，烘干过筛；然后将混合好的粉体装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10MPa～20MPa，在保护气氛下原位烧结，升温速率为10～100℃/分钟，烧结温度为1900℃～2100℃，烧结时间为10分钟～2小时，烧结压强为20MPa～40MPa。2.按照权利要求1所述的原位反应制备MB2-MC-BN超高温陶瓷基复合材料的方法，其特征在于，原位烧结发生的化学反应为：2MN+B...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈继新，赵国瑞，李美栓，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21
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