一种核-壳结构的中熵陶瓷粉体、高温超高强度高韧性中熵陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种核

【技术实现步骤摘要】
一种核
‑
壳结构的中熵陶瓷粉体、高温超高强度高韧性中熵陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及高温陶瓷材料领域，具体地说，是涉及一种核
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壳结构 (Ti,Zr,Ta)C基粉体和高温超高强度、高韧性中熵陶瓷材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]一元碳化物陶瓷(TiC、ZrC、TaC)具有高熔点、高硬度、抗辐照、耐腐蚀等优异的性能，是航空航天、核工业等领域极端条件下所需重要的候选结构材料。然而，由于其强共价键和较低的体扩散系数，一元碳化物陶瓷在低温难烧结致密，高温烧结易导致材料发生晶粒过渡生长，不利于材料在高温保持较高的强度，严重限制了材料在高温结构材料上的应用。
[0003](Ti,Zr,Ta)C中熵陶瓷是以Ti、Zr、Ta金属元素与C原子结合而成的中熵固溶体，通过调控中熵固溶体在形成过程中的熵增效应、晶格畸变效应和迟滞扩散效应有利于调控材料的晶粒尺寸、界面结构和界面强度，并改善材料的高温强度。高温超高强度的(Ti,Zr,Ta)C中熵陶瓷在高温、辐照等极端环境领域具有更大的应用潜力。然而，目前国内外对于高温超高强度(Ti,Zr,Ta)C中熵陶瓷材料及其制备方法未见报道。
[0004]文献(Demirskyi D,Nishimurab T,Suzuki TS,Sakka Y,Vasylkivb O, Yoshimi K.High
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temperature toughening in ternary medium
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entropy (Ta1/3Ti1/3Zr1/3)C carbide consolidated using spark
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plasma sintering.J.Am. Ceram.Soc.2020；8:1262
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1270)报道了一种(Ta1/3Ti1/3Zr1/3)C中熵陶瓷的制备方法，该制备方法是以一元碳化物粉体TaC、TiC和ZrC为原料，采用放电等离子体方法烧结方法在1973℃烧结10min，材料在室温条件下的弯曲强度高达703MPa，然而材料在高温下弯曲强度明显下降，在 1000℃和1800℃的弯曲强度分别下降至322MPa和298MPa，不足室温强度的二分之一，该陶瓷材料晶粒尺寸较大(平均晶粒尺度达7.1μm)，而且物相稳定性不佳，并伴随有析出相的出现，材料高温强度较低，这些缺点也将限制其在航空航天和核工业领域的应用。
[0005]但是，上述文献直接以TiC、ZrC、TaC一元碳化物粉体为原料制备的中熵陶瓷的方法具有以下缺点：一方面，由于固溶体形成动力学过程较长，导致材料在烧结过程中的晶粒尺寸难以得到有效控制；另一方面，一元碳化物原料粉体晶粒尺寸较大，且在混合过程中会引入一定量的杂质，这不利于所制备材料晶粒尺寸、界面强度的控制，也难以从根本上解决材料高温强度改善的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种以核
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壳结构(Ti,Zr,Ta)C基粉体的高温超高强度、高韧性中熵陶瓷材料及其制备方法，以该核
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壳结构粉体为原料加压烧结制备的(Ti,Zr,Ta)C中熵陶瓷具有高纯度(>99.0％)、超细的晶粒尺寸，在高温兼具超高强度和高韧性力学性能的优点。
[0007]根据本专利技术的一个方面，提供了一种核
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壳结构的中熵陶瓷粉体，所述陶瓷粉体具有核
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壳结构，核为富Zr元素的Zr(Ti,Ta)C固溶体，壳为贫 Zr元素的Ti,Ta(Zr)C固溶体。
[0008]根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种上述陶瓷粉体的制备方法，优选的，包括以下步骤：
[0009]步骤1，将金属氧化物原料TiO2粉、ZrO2粉和Ta2O5粉，碳源的原料石墨粉或炭黑粉，按照反应方程式：xTiO2+yZrO2+z/2Ta2O5+uC＝ (Ti
x
Zr
y
Ta
z
)C进行配料；其中，0.25≤x≤0.40，0.25≤y≤0.4，x+y+z＝1， 3.1≤u≤3.25；
[0010]步骤2，将原料粉体混合、干燥和过筛后，在真空条件加热至 1200～1400℃，保温0.1
‑
4h；然后继续加热至1500～1700℃，保温0.5
‑
4h，生成所述具有核
‑
壳结构的高温超高强度中熵陶瓷粉体。
[0011]优选的，所述步骤2中制得的陶瓷粉体的氧含量不大于0.75wt％。
[0012]根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种高温超高强度高韧性中熵陶瓷材料，由上述的核
‑
壳结构的中熵陶瓷粉体制成。
[0013]根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种上述陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014]步骤1，将金属氧化物原料TiO2粉、ZrO2粉和Ta2O5粉，碳源的原料石墨粉或炭黑粉，按照反应方程式：xTiO2+yZrO2+z/2Ta2O5+uC＝ (Ti
x
Zr
y
Ta
z
)C进行配料；其中，0.25≤x≤0.40，0.25≤y≤0.4，x+y+z＝1， 3.1≤u≤3.25；
[0015]步骤2，将原料粉体混合、干燥和过筛后，在真空条件加热至 1200～1400℃，保温0.1
‑
4h；然后继续加热至1500～1700℃，保温0.5
‑
4h；
[0016]步骤3，将步骤2制成的粉体研磨、过筛后，在真空或氩气气氛、30～120 MPa压力下后加热至1900～2200℃，制得所述陶瓷材料。
[0017]优选的，所述步骤3中制得的所述陶瓷材料为单相，组分为 (Ti
x
Zr
y
Ta
z
)C，其中，0.25≤x≤0.40，0.25≤y≤0.4，x+y+z＝1，3.1≤u≤3.25。
[0018]优选的，所述步骤3中制得的所述陶瓷材料的平均晶粒尺寸为0.3
‑
5.0 μm。
[0019]优选的，所述步骤3中制得的所述陶瓷材料的相对密度不低于94％，开口气孔率不高于1％。
[0020]优选的，所述步骤3中制得的所述陶瓷材料在高温(不低于1800℃) 的四点弯曲强度和断裂韧性分别为450～850MPa、6.5
‑
8.5MPa
·
m
1/2
。
[0021]本专利技术的技术方案制备出超细晶粒尺寸的中熵陶瓷材料，同时改善材料的高温力学性能。
附图说明
[0022]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
[0023]图1是本专利技术实施例1的(Ti,Zr,Ta)C基中熵陶瓷粉体的XRD图谱；
[0024]图2是本专利技术实施例1的(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核
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壳结构的中熵陶瓷粉体，其特征在于，所述陶瓷粉体具有核
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壳结构，核为富含Zr元素的Zr(Ti,Ta)C固溶体，壳为贫含Zr元素的Ti,Ta(Zr)C固溶体。2.一种根据权利要求1所述陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将金属氧化物原料TiO2粉、ZrO2粉和Ta2O5粉，碳源的原料石墨粉或炭黑粉，按照反应方程式：xTiO2+yZrO2+z/2Ta2O5+uC＝(Ti
x
Zr
y
Ta
z
)C进行配料；其中，0.25≤x≤0.40，0.25≤y≤0.4，x+y+z＝1，3.1≤u≤3.25；步骤2，将原料粉体混合、干燥和过筛后，在真空条件加热至1200～1400℃，保温0.1
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4h；然后继续加热至1500～1700℃，保温0.5
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4h，生成所述具有核
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壳结构的高温超高强度中熵陶瓷粉体。3.根据权利要求2所述陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤2中制得的陶瓷粉体的氧含量不大于0.75wt％。4.一种高温超高强度高韧性中熵陶瓷材料，其特征在于，由根据权利要求1所述核
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壳结构的中熵陶瓷粉体制成。5.一种根据权利要求4所述陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将金属氧化物原料TiO2粉、ZrO2粉和Ta2O5粉，碳源的原料石墨粉或炭黑粉，按照反应方程式：xTiO2+yZrO2+z/2Ta2O5+uC＝(Ti<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新刚，杨青青，秦福林，蒋丹宇，
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：