一种可控碳化铌-碳化钽固溶体微米立方体及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种可控碳化铌

【技术实现步骤摘要】
一种可控碳化铌-碳化钽固溶体微米立方体及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种可控碳化铌-碳化钽固溶体微米立方体及其制备方法，属于陶瓷粉体制备


技术介绍

[0002]碳化铌(NbC)和碳化钽(TaC)同属超高温陶瓷，它们均展现出立方NaCl型的晶体结构，空间群为Fm3m，点阵常数分别为0.4469 nm和0.4455 nm，α=β=γ=90
°
，金属Nb、Ta原子分别位于NbC、TaC晶胞的六个顶点以及面心处，C原子占据每条棱的中心以及晶胞的中心位置。
[0003]NbC和TaC作为过渡金属碳化物中的一员，均是高硬度(15~20 GPa)、强机械耐磨性、化学稳定性优越的超硬多功能材料，不与大多数化学物质发生反应，不溶于水，难溶于无机酸，微溶于硫酸和氢氟酸。NbC、TaC熔点分别为3600℃和3983℃，热膨胀系数分别为6.6
×
10
−
6 K
−1和6.3
×
10
−
6 K
−1。NbC具有良好的导电性，其电阻率为35μΩ
·
cm。TaC在保留了一部分金属Ta的优势外，还具有优异的高温抗氧化性、耐烧蚀性、抗热震性和热稳定性，是在2900~3200℃范围内能唯一保持一定机械性能的材料。
[0004]因NbC、TaC具有高硬度、高耐磨性、高熔点、化学稳定性好等诸多优良特性，它们被广泛应用于各类超硬材料的设计制造：(1) 复相陶瓷：NbC和TaC通常作为陶瓷材料的原料，由其制备的金属陶瓷具有高硬度、高熔点、优良的化学稳定性和导电性，在耐磨零件、切削刀具材料和电极材料等领域有着广泛的应用。(2) 宇航部件：许多航空航天装置的零件，如涡轮转子、叶片、发动机喷管以及核反应堆的结构件等通常工作的温度非常高，所以其对材料有着很高的要求。NbC和TaC的熔点极高，常在航空航天应用。而且NbC作为宇航材料，其强度能随着温度升高而增强，在800℃左右时达到强度增强的峰值。宇航部件的基体随着温度的升高由脆性转变为塑性，在此条件下在航空航天材料零件中混入一定量的NbC颗粒对塑性基体的强化有着增强的作用，高温增强效果有明显提高，因此加入NbC的复合材料具有非常好的的耐热强度。TaC主要应用于高超音速导弹、太空往返飞行器、航天飞机等飞行器的热防护系统。比如，可用作固体火箭发动机的喉衬材料和超高音速飞行器的关键部位，如机翼前缘、尾翼前缘、鼻锥以及发动机的热端；TaC陶瓷被认为是难熔金属、C/C或C/SiC复合材料的最佳替代者。
[0005]刘玉宝等人在论文“碳化铌的合成方法及应用研究进展”中说到NbC能够与其他超高温结构陶瓷(比如TiC、TaC、ZrC等)相熔合形成类质同晶的固溶体。该类固溶体能够保留各碳化物组员的优异性质，提高综合性能；如碳化铌-碳化钽固溶体（Nb
x
Ta
1-x
C）在具备NbC和TaC共有的优异的力学性能，化学稳定性好和耐高温等特点外；还具备优异的导热和导电性能。但是由于NbC和TaC为强共价键化合物，因此具有较低的自扩散系数，形成碳化铌-碳化钽固溶体（Nb
x
Ta
1-x
C）需要较高的温度，甚至伴随着高压力。Cherkashenko等人在论文“Features of the electronic structure of the isoelectronic solid solutions Nb
x
Ta
1-x
C”中发现在常压条件下，Nb
x
Ta
1-x
C的制备温度需要超过2000 ℃ (该研究采用2130~
2530℃)，所需能源消耗较大，制备成本高，因此限制了其应用。
[0006]本专利技术基于液相烧结工艺，即熔解-析出机理；以NbC、TaC粉以及金属Co粉为原料，将原料粉体混合均匀并预压成块体；在较低的温度下进行热处理；随后利用酸溶液将含钴的金属基体腐蚀溶解，从而得到碳化铌-碳化钽固溶体(Nb
x
Ta
1-x
C)的立方体，该粉体具有机械性能优异，导热和导电性能良好，耐高温且化学稳定性好等优点。此制备方法在常压和较低的热处理温度下即可实现，具有制备工艺简单，设备要求低，周期短，节约能源，不造成污染等优点。所制备的Nb
x
Ta
1-x
C立方体陶瓷粉体尺寸分布均匀，纯度高，无其他杂质，具有优异的机械、导热、导电性能，适合用于新能源、航空航天、高超音速导弹等领域。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是解决原有Nb
x
Ta
1-x
C陶瓷粉体难制备(制备温度高且需要高压力)、能源消耗量大等问题，提供一种较低温度液相烧结Nb
x
Ta
1-x
C陶瓷粉体的制备工艺，不造成污染，节省能源。其技术方案为：(1) 以NbC粉末、TaC粉末、Co粉末为主要原料；并按质量比为(0.01~3.99):(0.01~3.99):1进行粉体称量并混合均匀；将混合均匀的粉体预压成型(块体)。(2) 对预制块进行高温热处理，其工艺如下：在惰性气氛(如氮气)下，以2~100℃/min加热速度升温至1200~1700℃，保温0.5~120h，然后随炉冷却至室温。(3) 配置1~15.2 mol硝酸溶液；浸泡所制备的Nb
x
Ta
1-x
C-Co块体，待含钴金属基体被全部腐蚀溶解为止；将剩余粉体进行清洗并烘干即可得到碳化铌-碳化钽固溶体(Nb
x
Ta
1-x
C)微米立方体。
[0008]本专利技术的工作原理是：(a)以钴粉作为金属相基体，在高温下可以润湿NbC和TaC颗粒，并与二者进行反应，反应方程式如下所示：x
·
NbC
(s)
+(1-x)
·
Co
(s)
⇄
Nb
x-Co
(1-x) (s,l)
+x
·
C
(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)y
·
TaC
(s)
+ (1-y)
·
Co
(s)
⇄
Ta
y-Co
(1-y) (s,l)
+y
·
C
(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)综上所述，总反应方程式总结如下： x
·
NbC
(s)
+ y
·
TaC
(s)
+(1-x-y)
·
Co
(s, l)
→
Nb
x-Ta
y-Co
(1-x-y) (s, l)
+(x+y)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可控碳化铌-碳化钽固溶体微米立方体及其制备方法，其特征在于：(1) 以NbC、TaC和Co粉末为原料，按NbC: TaC: Co质量比 (0.01~3.99): (0.01~3.99): 1混合均匀，然后将混合粉体预压成型；(2) 将坯体移置炉中进行热处理，即在惰性气氛 (如氮气、氩气、真空等)下，以2~100℃/min的升温速率加热至12...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿欣，温广武，徐文喆，陈春强，王鹏，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：