一种具有多元高熵的陶瓷及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于陶瓷材料技术领域，公开了一种具有多元高熵的陶瓷及其制备方法和应用。该陶瓷是以Me1的氧化物、Me2的氧化物、Me3的氧化物、Me4的氧化物、Me5的氧化物和无定型硼粉为原料，球磨混合后压制成坯体；放入石墨坩埚中进行真空热处理得(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2固熔体粉体；采用放电等离子烧结将上述固熔体粉体升温至1000～1400℃时充入保护气氛，然后升温至1800～2200℃煅烧制得。所得多元高熵陶瓷的相对密度>95％，硬度为25～35GPa，断裂韧性为2～8MPa·m

【技术实现步骤摘要】
一种具有多元高熵的陶瓷及其制备方法和应用
本专利技术属于表面功能薄膜材料
，更具体地，涉及一种具有多元高熵的陶瓷及其制备方法和应用。
技术介绍
随着航空、航天、电子、通信等技术以及机械、化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出越来越高、越来越多的要求，传统的单一材料已不能满足使用要求。高熵陶瓷具有五种或五种以上的组元，若其固溶成为单相固熔体陶瓷，因具有较高的熵值，易获得热稳定性高的固溶相和纳米结构，不同的高熵陶瓷具有不同的特性，其表现优于传统陶瓷材料。多组元高熵陶瓷是一个可合成、可加工、可分析、可应用的新陶瓷世界，具有很高的学术研究价值和很大的工业发展潜力。阻碍陶瓷向多元方向发展的主要原因是：传统陶瓷的发展经验告诉我们，虽然可以通过添加特定的少量陶瓷元素来改善性能，但元素种类过多会导致很多化合物尤其是脆性金属间化合物的出现，从而导致陶瓷性能的恶化，如变脆等。此外，也给材料的组织和成分分析带来很大困难。难熔金属的硼化物，ZrB2、HfB2、NbB2、TaB2、CrB2、TiB2和MoB2因其优异的物理、化学和机械性能而备受关注。其多组元高熵陶瓷也具有高强度、硬度、优异的耐磨性、优异的耐高温强度、良好的结构稳定性和良好的耐蚀性和抗氧化性。其制备均使用商业购买的硼化物粉体，高能球磨后烧结出陶瓷材料，但是只有少量的报道成功制备出单相高熵陶瓷，因此关于这些材料及其特性还有很多需要研究的地方。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种具有多元高熵的陶瓷。该陶瓷具有均一固溶体相的、组元稳定的、力学性能及抗氧化性能优异的高熵陶瓷。本专利技术另一目的在于提供上述具有多元高熵陶瓷的制备方法。本专利技术再一目的在于提供上述具有多元高熵陶瓷的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：一种具有多元高熵的陶瓷，所述陶瓷是以Me1的氧化物、Me2的氧化物、Me3的氧化物、Me4的氧化物、Me5的氧化物和无定型硼粉为原料，加入溶剂经球磨混合得混合粉体，经模压后所得坯体放入石墨坩埚中，升温至800～1200℃保温Ⅰ后，再升温至1400～1600℃保温Ⅱ，进行真空热处理得(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2固熔体粉体；采用放电等离子烧结将(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2固熔体粉体升温至1000～1400℃时充入保护气氛，然后升温至1800～2200℃煅烧制得；所述0.1≤x≤0.9，0.1≤y≤0.9，0.1≤z≤0.9，0.1≤n≤0.9，0.1≤m≤0.9。优选地，x＝0.2，y＝0.2，z＝0.2，n＝0.2，m＝0.2。优选地，所述陶瓷的相对密度>95％，硬度为25～35GPa，断裂韧性2～8MPa·m1/2，晶粒尺寸为0.1～1.1μm，所述陶瓷在1000～1500℃热处理后重量变化率为0.3～1％。优选地，所述固熔体粉体(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2的纯度99.0-99.9wt％，所述固熔体粉体的粒径为0.1～1μm，所述固熔体粉体的氧含量为0.1-0.5wt％，所述固熔体粉体的碳含量为0.1～0.5wt％。优选地，所述固熔体粉体(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2中Me1、Me2、Me3、Me4和Me5为Hf、Zr、Ti、Nb、Ta、Mo或Cr。优选地，所述溶剂为乙醇、丙醇、甲醇或丙酮。优选地，所述保护气氛为N2或Ar。优选地，所述升温至800～1200℃和升温至1400～1600℃时的速率均为5～20℃/min，所述保温Ⅰ和保温Ⅱ的时间均为0.5～2h；所述煅烧的时间为1～30min，所述煅烧的压力为10～100MPa，所述升温至1800～2200℃时的升温的速率为100～400℃/min。所述的具有多元高熵的陶瓷的制备方法，包括如下具体步骤：S1.以Me1的氧化物、Me2的氧化物、Me3的氧化物、Me4的氧化物、Me5的氧化物和无定型硼粉为原料，加入溶剂和球磨介质，在球磨机上混合10～48h，干燥后获得混合粉体；S2.将混合粉体模压后的坯体放入石墨坩埚中，以5～20℃/min的速率升温至800～1200℃保温0.5～2h，然后再以5～20℃/min的速率升温至1400～1600℃保温0.5～2h，获得(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2固熔体粉体；S3.将(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2固熔体粉体放入石墨模具中，采用放电等离子烧结以100～400℃/min速率升温至1000～1400℃时充保护气氛，再以100～400℃/min速率升温至1800～2200℃，保温1～30min，加压10～100MPa煅烧，制得(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2多元高熵的陶瓷。所述具有多元高熵的陶瓷在超高温抗氧化器件领域中的应用。本专利技术的一种具有多元高熵的陶瓷，所述陶瓷是将单相固熔体粉体(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2为原料，Me1，Me2，Me3，Me4，Me5五元金属之间固溶，经过放电等离子烧结后，由于其冷却速度快，很难出现固溶析出相，获得的陶瓷仍为(Me12Me22Me32Me42Me52)B2单相多元高熵的陶瓷体，组分均一，成分稳定，性能优异，且一种粉末具有多元金属的性质。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术采用固相法自合成的超细高熵陶瓷粉末，通过放电等离子烧结制备多元高熵陶瓷材料，研究表明此固相法合成的高熵陶瓷粉末晶粒较细，且组分均一。晶粒尺寸小，成分均匀的原料粉末，且烧结出的高熵陶瓷材料性能优异。2.本专利技术的方法反应原料就为单相固熔体粉末，相比于多种硼化物高能球磨获得的混合原料粉末物理上均匀性，该方法达到了原料组分的化学均匀性。这也有利于其烧结材料的均匀固熔体相的形成，也节约能源与成本。3.本专利技术的方法制备的高熵陶瓷材料，由于原料是固熔体粉末，形成固熔体可以促进原子扩散，可在低温下实现烧结致密，改善烧结性能，提高材料性能。4.本专利技术的方法采用SPS实现高熵陶瓷材料的快速制备，极大缩短了晶粒长大时间，可获得晶粒细小的陶瓷，原料粉体成本低且原料粉末相对于商业购买的硼化物粉末细，其在烧结过程中扩散较快，更易烧结出单相高熵陶瓷材料，这会使得高熵陶瓷材料的组织更细小，更大的提高材料的性能。附图说明图1为实施例中2制得的(Hf0.2Mo0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)B2高熵固熔体粉末的XRD图。图2为实施例2中制得经SPS烧结后(Hf0.2Mo0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)B2高熵陶瓷的XRD图。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。实施例11.以HfO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5和Cr2O3和无定型硼粉为原料，以乙醇为溶剂，以Si3N4球为球磨介质，在球磨机上混合，干燥后获得混合粉体；2.将混合粉体模压后获得坯体放入石墨坩埚中，以10℃/min的速率升温至1200℃保温1h，然后再以10℃/min的速率升温至1600℃保温1h，真空热处理后的获得(Hf0.2Zr0.2N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有多元高熵的陶瓷，其特征在于，所述陶瓷是以Me1的氧化物、Me2的氧化物、Me3的氧化物、Me4的氧化物、Me5的氧化物和无定型硼粉为原料，加入溶剂经球磨混合得混合粉体，经模压后所得坯体放入石墨坩埚中，升温至800～1200℃保温Ⅰ后，再升温至1400～1600℃保温Ⅱ，进行真空热处理得(Me1x Me2yMe3zMe4nMe5m)B2固熔体粉体；采用放电等离子烧结将(Me1x Me2yMe3zMe4nMe5m)B2固熔体粉体升温至1000～1400℃时充入保护气氛，然后升温至1800～2200℃煅烧制得；所述0.1≤x≤0.9，0.1≤y≤0.9，0.1≤z≤0.9，0.1≤n≤0.9，0.1≤m≤0.9。

【技术特征摘要】
1.一种具有多元高熵的陶瓷，其特征在于，所述陶瓷是以Me1的氧化物、Me2的氧化物、Me3的氧化物、Me4的氧化物、Me5的氧化物和无定型硼粉为原料，加入溶剂经球磨混合得混合粉体，经模压后所得坯体放入石墨坩埚中，升温至800～1200℃保温Ⅰ后，再升温至1400～1600℃保温Ⅱ，进行真空热处理得(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2固熔体粉体；采用放电等离子烧结将(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2固熔体粉体升温至1000～1400℃时充入保护气氛，然后升温至1800～2200℃煅烧制得；所述0.1≤x≤0.9，0.1≤y≤0.9，0.1≤z≤0.9，0.1≤n≤0.9，0.1≤m≤0.9。2.根据权利要求1所述的具有多元高熵的陶瓷，其特征在于，所述x＝0.2，y＝0.2，z＝0.2，n＝0.2，m＝0.2。3.根据权利要求1所述的具有多元高熵的陶瓷，其特征在于，所述陶瓷的相对密度>95％，硬度为25～35GPa，断裂韧性2～8MPa·m1/2，晶粒尺寸为0.1～1.1μm，所述陶瓷在1000～1500℃热处理后重量变化率为0.3～1％。4.根据权利要求1所述的具有多元高熵的陶瓷，其特征在于，所述固熔体粉体(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2的纯度99.0～99.9wt％，所述固熔体粉体的粒径为0.1～1μm，所述固熔体粉体的氧含量为0.1～0.5wt％，所述固熔体粉体的碳含量为0.1～0.5wt％。5.根据权利要求1所述的具有多元高熵的陶瓷，其特征在于，所述固熔体粉体(Me1xMe2yMe3zMe4nMe5m)B2中Me1、Me2、Me3、Me4和Me5为Hf、Zr、Ti、Nb、Ta、...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭伟明，张岩，牛文彬，张威，林华泰，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44