本发明专利技术涉及一种常压烧结制备致密(HfZrTaNbTi)C高熵陶瓷烧结体的方法，包括：（1）选HfC粉体、ZrC粉体、TaC粉体、NbC粉体和TiC粉体作为原料，再加入粘结剂和溶剂混合，得到浆料；（2）将所得浆料干燥过筛或喷雾造粒，得到混合粉体；（3）将所得混合粉体经压制成型和真空脱粘后置于惰性气氛中，在2000～2250℃下常压烧结，得到所述高熵陶瓷烧结体。
【技术实现步骤摘要】
一种常压烧结制备致密(HfZrTaNbTi)C高熵陶瓷烧结体的方法
本专利技术涉及一种包含五种过渡金属元素的(HfaZrbTacNbdTie)C(a+b+c+d+e＝1)高熵陶瓷及其制备方法，具体涉及一种常压烧结制备致密(HfZrTaNbTi)C高熵陶瓷烧结体的方法，属于超高温陶瓷领域。
技术介绍
适用于极端环境的过渡金属碳化物超高温陶瓷材料，熔点均＞3000℃。为进一步提高材料综合性能，科研人员在2004年研究发现了多元高熵陶瓷材料。过渡金属元素种类一般在五种及以上，这些过渡金属元素等摩尔混合，可以产生最大摩尔构型熵ΔSmix＝RlnN，其中N为等摩尔组分数，R为气体常数。当这种混合熵足够高时，会形成熵稳定的结构。高熵陶瓷组成的复杂性引起晶格畸变，这种畸变会带来特异的性质，如更优异的机械性能和热物理性能、耐辐照性能等。高熵过渡金属碳化物陶瓷扩散系数低，烧结较难致密化。同时由于组分较多，其组合的复杂程度呈指数上升，必须通过组分设计来优化耐高温性能。(HfZrTaNbTi)C高熵陶瓷中过渡金属元素在化学元素周期表中位置相邻，物理化学性质相似，原子半径错配系数＜10％，易于形成单相固溶体。各过渡金属碳化物都是过渡金属元素的d轨道与碳元素的2s、2p轨道交互作用，键合强度较大；同时在固溶形成的单相立方晶胞中各原子尺寸、键合情况的过渡金属元素随机占位，导致晶格发生畸变，复杂程度呈指数上升，熵值增加，可实现更佳的机械性能和耐辐照性能；由吉布斯自由能(G＝H-TΔS，其中H为焓，S为熵，T为温度)公式可知该高熵陶瓷的高温热力学性质更稳定；且高熵陶瓷还具备特有的高熵效应可促进单相固溶体的生成。例如，专利文献1(中国公开号CN108911751A)公开了一种热压烧结制备ZrHfTaNbTiC超高温高熵陶瓷材料，其难以制备得到大尺寸和结构复杂的陶瓷部件。专利文献2(中国公开号CN108439986A)公开了一种采用高能球磨法结合放电等离子烧结(或热压烧结)来制备高熵陶瓷块体的方法，其制备方法复杂，需要先将原料粉体经过高能球磨得到非晶态陶瓷混合物，然后再将该非晶态陶瓷混合物在1400-2000℃下热处理得到高熵陶瓷粉体作为原料，才能制备得到具有高抗氧化性能和高韧性的陶瓷块体，其也难以制备得到大尺寸和结构复杂的陶瓷部件。
技术实现思路
本专利技术旨在探索一种常压烧结含有五种过渡金属碳化物高熵陶瓷的方法，用于高效制备复杂形状、机械和热物性能优异的超高温陶瓷烧结体。为此，本专利技术提供了一种常压烧结制备高熵陶瓷烧结体的方法，所述高熵陶瓷烧结体为单一固溶相，化学组成为(HfaZrbTacNbdTie)C，a+b+c+d+e＝1，且a、b、c、d、e都不为0；所述常压烧结制备高熵陶瓷烧结体的方法包括：(1)选HfC粉体、ZrC粉体、TaC粉体、NbC粉体和TiC粉体作为原料，再加入粘结剂和溶剂混合，得到浆料；(2)将所得浆料干燥过筛或喷雾造粒，得到混合粉体；(3)将所得混合粉体经压制成型和真空脱粘后置于惰性气氛中，在2000～2250℃下常压烧结，得到所述高熵陶瓷烧结体。在本公开中，选用各元素的碳化物作为原料，再与粘结剂、溶剂混合，得到原料混合均匀的浆料。再经所得浆料进行干燥过筛或喷雾造粒，以去除溶剂得到混合粉体。再将混合粉体压制成型并进行真空脱粘，以使得粘结剂全部裂解成碳且无其他杂质。进而在后续常压烧结过程中，随温度提升，坯体内部闭气孔逐渐从晶粒内部转移至晶间，在致密度提升的同时进行固溶过程，最终得到致密的(HfZrTaNbTi)C高熵陶瓷。而且，由于粘结剂裂解成碳，裂解碳会进一步和原料中的氧杂质反应，从而促进烧结过程中的元素扩散，同时多相固溶的形成过程中晶粒生长被有效抑制，同时由于均质分布的裂解碳的韧化作用，最终提高了所得烧结体的韧性。经上烧结过程后，各元素分布均匀，形成了均匀固溶相。具体来说，各过渡金属元素相互扩散，有助于提高物质迁移速率，促进烧结体致密化，再加上(HfZrTaNbTi)C高熵陶瓷会产生高熵效应，促进形成单相高熵陶瓷固溶体。此外，本专利技术采用常压烧结，适于制备大尺寸、形状复杂的样品，可节约后续加工成本，满足实用需要。较佳的，a＝b＝c＝d＝e＝0.2，高熵陶瓷烧结体的化学式为(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C。较佳的，所述HfC粉体的纯度≥96％，粒径为0.5～2μm；所述ZrC粉体的纯度≥99％(更优选≥99.9％)，粒径为0.5～2μm；所述TaC粉体的纯度≥99％，粒径为0.5～2μm；所述NbC粉体的纯度≥97％，粒径为0.5～2μm；所述TiC粉体的纯度≥94％，粒径为0.5～2μm。较佳的，所述粘结剂为裂解产生碳的粘结剂，优选选自酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇和丙烯酸中的至少一种；所述粘结剂的加入量为原料总质量的1～8wt％。较佳的，所述溶剂选自丙酮、乙醇、正丁醇和环己酮中的至少一种；所述浆料的固含量为65～70wt％。较佳的，干燥过筛后的混合粉体的粒径为50～250μm；喷雾造粒后的混合粉体的粒径为100～300μm。较佳的，所述压制成型的方式为干压成型或/和等静压成型，优选为先进行干压成型再进行等静压成型；所述干压成型的压力为20～60MPa，等静压成型的压力为150～250MPa。较佳的，所述真空脱粘的温度为500～1000℃，保温时间1～4小时；优选地，所述真空脱粘的升温速率为1℃/分钟～3℃/分钟。较佳的，所述常压烧结的时间为1～4小时。较佳的，所述惰性气氛为氩气气氛。另一方面，本专利技术还提供了一种根据上述的方法制备的高熵陶瓷烧结体，所述高熵陶瓷烧结体为高熵固溶相，密度为8.6～9.5g·cm-3，维氏硬度为15.8～19.2GPa，断裂韧性为3.3～5.9MPa·m1/2，抗弯强度为292～449MPa。有益效果：本专利技术的最显著特征在于常压烧结实现了固溶与致密化一体化，可用于制备大型、近净尺寸、形状复杂、应用于极端高温的结构部件，可降低材料后续加工成本，对满足实际应用需求具有重要意义；本专利技术中，所制备的高熵陶瓷烧结体经过高温烧结，碳化物实现完全固溶，呈单相立方晶格结构，各元素分布均匀；本专利技术中，所制备的高熵陶瓷烧结体经单相固溶后，密度为8.6～9.5g·cm-3，力学性能得到较大提升，维氏硬度15.8～19.2GPa，断裂韧性KIC值为3.3～5.9MPa·m1/2，抗弯强度292～449MPa；本专利技术中，所制备的高熵陶瓷烧结体的热学性能得到较大提升，热膨胀率、热导率与碳化物组元相比下降较明显。附图说明图1为添加不同含量粘结剂制备(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C高熵陶瓷烧结体的XRD图谱；图2为各种碳化物原料和实施例2制备的(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C高熵陶瓷烧结体的XRD图谱对比；图3为实施例1制备的(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种常压烧结制备高熵陶瓷烧结体的方法，其特征在于，所述高熵陶瓷烧结体为单一固溶相，化学组成为(Hf
【技术特征摘要】
1.一种常压烧结制备高熵陶瓷烧结体的方法，其特征在于，所述高熵陶瓷烧结体为单一固溶相，化学组成为(HfaZrbTacNbdTie)C，a+b+c+d+e=1，且a、b、c、d、e都不为0；
所述常压烧结制备高熵陶瓷烧结体的方法包括：
（1）选HfC粉体、ZrC粉体、TaC粉体、NbC粉体和TiC粉体作为原料，再加入粘结剂和溶剂混合，得到浆料；
（2）将所得浆料干燥过筛或喷雾造粒，得到混合粉体；
（3）将所得混合粉体经压制成型和真空脱粘后置于惰性气氛中，在2000～2250℃下常压烧结，得到所述高熵陶瓷烧结体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述HfC粉体的纯度≥96％，粒径为0.5～2μm；所述ZrC粉体的纯度≥99％，粒径为0.5～2μm；所述TaC粉体的纯度≥99％，粒径为0.5～2μm；所述NbC粉体的纯度≥97％，粒径为0.5～2μm；所述TiC粉体的纯度≥94％，粒径为0.5～2μm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述粘结剂为裂解产生碳的粘结剂，优选选自酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙二醇和丙烯酸中的至少一种；所述粘结剂的加入量为原料总质量的1～8wt%。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述溶剂选自丙酮...
【专利技术属性】
技术研发人员：殷杰，黄政仁，于多，姚秀敏，刘学建，陈忠明，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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