一种高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体及其制备方法技术

本发明专利技术属于碳化物陶瓷技术领域，具体涉及一种高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体及其制备方法，分子式为XCyBz，其中X为Zr、Ti、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo或W中的至少两种，0.6≤y＜1.0，0＜z≤0.4，y+z＝1，具有单一相面心立方结构，是通过将至少两种金属粉末与C粉球磨混合，经无压等离子烧结后破碎得碳化物粉体，然后再将其与B2O3粉、碳源混合后经高温烧结后破碎成粉制得。本发明专利技术陶瓷粉体为单一相固溶体，具有面心立方结构且含有硼元素，兼具碳化物的耐高温特性和硼化物的抗氧化特性，并可以用来制备出抗烧蚀抗氧化的高熵含硼碳化物超高温陶瓷块体或者复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体及其制备方法
本专利技术属于碳化物陶瓷
，具体涉及一种高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体及其制备方法。
技术介绍
超高温陶瓷具有高熔点、高稳定性以及高的阻氧能力，用于高超音速飞行器的鼻锥和翼前沿，火箭的喉衬和扩散段等构件中，是航天飞机以及战略导弹热防护系统重要的候选材料。常用的超高温陶瓷包括Zr、Ti、Hf等元素的硼化物，氮化物和碳化物等二元系陶瓷，然而，二元系超高温陶瓷材料的抗氧化和抗烧蚀性能具有局限性，例如，ZrC在2500℃以下会被氧化成疏松多孔状的氧化锆层，隔氧能力差，不耐热流冲刷；ZrB2和HfB2在2500℃以上时陶瓷材料会因硼元素氧化物的快速挥发而导致烧蚀性能明显下降。当前高熵的概念主要涉及合金材料，高熵合金的思想是由多个元素等摩尔或近等摩尔比例混合形成的合金，具有高的热力学混合熵，形成单一晶体结构，展示出比相应传统合金更高的强度、硬度和耐腐蚀性能等。到目前为止，在陶瓷领域，高熵陶瓷并无明确定义且研究较少。美国Duke大学ChristinaM.Rost等人首次将这种高熵合金思想用于合成高熵氧化物陶瓷(C.M.Rost,etal.Entropy-stabilizedoxides,Nat.Commun.6.2015)；后续，加州大学J.Gild等人将这种高熵合金思想用于合成高熵超高温陶瓷(J.Gildetal:ANewClassofHigh-EntropyMaterialsandaNewTypeofUltrahighTemperatureCeramics,Sci.Rep.6.2016)。即在原有二元系超高温陶瓷基体中，添加与基体元素相似的多种其他元素，具有相对高的热力学混合熵，形成单一固溶体结构的化合物，可称之为高熵超高温陶瓷。中南大学ZengY等人发表文献“ZengY,WangD,XiongX,etal.Ablation-resistantcarbideZr0.8Ti0.2C0.74B0.26foroxidizingenvironmentsupto3,000℃.[J].NatureCommunications,2017,8:15836.”采用反应熔渗法和包埋法相结合制备具有单一相结构的Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26陶瓷复合材料，该复合材料在3000℃条件下具有良好的抗烧蚀和抗氧化性能，证实了高熵含硼碳化物陶瓷的抗氧化性能远优于二元系超高温陶瓷。该研究成果已获国家专利技术专利，专利号为ZL201710361716.8，但是该专利仅是专利技术了碳纤维增强这种高熵含硼碳化物超高温陶瓷复合材料的制备方法，并没有涉及制备纯高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体的相关方法。目前常用于制备高熵碳化物或硼化物粉体的方法是机械合金化法和放电等离子烧结方法。武汉科技大学ZhouJY等人发表文献“High-entropycarbide:Anovelclassofmulticomponentceramics.(doi.10.1016/j.ceramint.2018.08.100)”报道了使用TiC，ZrC，HfC，NbC和TaC等碳化物为原料，采用机械合金化与放电等离子烧结方法制备了具有面心立方结构的(Ti,Zr,Hf,Nb,Ta)C高熵碳化物陶瓷，该碳化物陶瓷具较好的抗氧化性能。美国内布拉斯加大学林肯分校YanX等人发表文献“YanX,ConstantinL,LuY,etal.(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)Chigh-entropyceramicswithlowthermalconductivity[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,2018101:4486-4491.”报道了使用HfC，ZrC，TaC，NbC和TiC等碳化物为原料，采用机械合金化法制备了具有单一相面心立方结构的(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C高熵碳化物陶瓷，该碳化物陶瓷具有低的导热系数。美国加利福尼亚大学GildJ等人发表文献“GildJ,ZhangY,HarringtonT,etal.High-EntropyMetalDiborides:ANewClassofHigh-EntropyMaterialsandaNewTypeofUltrahighTemperatureCeramics:[J].ScientificReports,2016,6:37946.”报道了以二元硼化物为原料，采用机械合金化法制备了多种高熵硼化物陶瓷，如(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)B2和(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Mo0.2Ti0.2)B2，这类硼化物陶瓷具有单一相六方结构，其抗氧化性能良好。需要指出的是，在机械合金化高能球磨过程中，球磨时间较长，能耗高，且不可避免地引入球磨介质WC等杂质；而且，(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C和(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)B2等上述两种粉末结构分别属于碳化物和硼化物的晶体结构，本专利技术的陶瓷材料的晶体结构最大的不同是具有碳化物的面心立方结构，但晶体中却含有一定量的硼元素。本专利技术的陶瓷粉体兼具有碳化物超高熔点的耐温特性和硼化物的抗氧化特性，在高超声速飞行器耐热结构件上有着重要的潜在应用。
技术实现思路
为了解决现有技术中遇到的问题，本专利技术的目的在于提供了一种高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体。该陶瓷粉体为单一相固溶体，具有单一相面心立方结构，纯度高，结构疏松易破碎，利于后期加工应用。本专利技术的另一目的在于提供了所述高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体的制备方法。该制备方法制备时间短，过程简单，易于控制反应过程，过程无杂质引入，利于优化设计各组份含量，得到高纯度的单一相固溶体。为实现上述目的，本专利技术提供一种高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体，其分子式为XCyBz，其中X为Zr、Ti、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo或W中的至少两种，0.6≤y＜1.0，0＜z≤0.4，y+z＝1，具有单一相面心立方结构。优选的，所述高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体是将至少两种金属粉与C粉球磨混合，经无压等离子烧结后再将其与B2O3粉、碳源混合后经高温烧结制得。本专利技术提供了一种高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体的制备方法，将至少两种金属粉末与C粉球磨混合，经无压等离子烧结后破碎得碳化物粉体，然后再将其与B2O3粉、碳源混合后经高温烧结后破碎成粉制得高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体。优选的，所述金属粉末、C粉、B2O3粉的纯度均≥98％，其粒度为微米或纳米级。优选的，所述球磨转速为50～300rpm，时间1～5h，球磨介质为乙醇和/或水，球料比为4～10:1。本专利技术通过调控球磨参数，得到高纯的单一相碳化物陶瓷粉体。当球磨转速过高、时间过长、球料比过大会都会导致球磨介质掺入所制备的陶瓷粉体，污染产物；而球磨转速过低、时间过短、球料比过小会致使原材料粉体混合不均匀，所制备的产物反应不完全，无法生成单一相碳化物陶瓷。优选的，所述无压放电等离子烧结条件为：烧结炉中真空度小于5Pa，温度1100～1800℃，保温15～60min，升温速率5～150℃/min。本专利技术通过调控烧结参数，得到高纯的单一相碳化物陶瓷粉体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体，其特征在于：分子式为XCyBz，其中X为Zr、Ti、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo或W中的至少两种，0.6≤y＜1.0，0＜z≤0.4，y+z＝1，具有单一相面心立方结构。

【技术特征摘要】
1.一种高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体，其特征在于：分子式为XCyBz，其中X为Zr、Ti、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo或W中的至少两种，0.6≤y＜1.0，0＜z≤0.4，y+z＝1，具有单一相面心立方结构。2.根据权利要求1所述的高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体，其特征在于：是将至少两种金属粉与C粉球磨混合，经无压等离子烧结后再将其与B2O3粉、碳源混合后经高温烧结制得。3.权利要求1或2所述的高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：将至少两种金属粉末与C粉球磨混合，经无压等离子烧结后破碎得碳化物粉体，然后再将其与B2O3粉、碳源混合后经高温烧结后破碎成粉制得超高温含硼碳化物陶瓷粉体。4.根据权利要求3所述的高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：所述金属粉末、C粉、B2O3粉的纯度均≥98％，其粒度为微米或纳米级。5.根据权利要求3所述的高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体的制备方法，其特征在于：所述球磨转速为50～300rpm，时间1～5h，球磨介质为乙醇和/或水，球料比为4～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾毅，熊翔，伦惠林，孙威，王雅雷，陈招科，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43