一种碳化钛铌钽连续固溶体的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种可控的(Ti,Nb,Ta)C固溶体微米长方体的制备方法，属于陶瓷粉体制备技术领域。其特征在于：以TiC、NbC、TaC和Co粉末为原料，碳化物与钴粉按照固定质量混合均匀后，放于模具中预压成型并置于管式炉中在惰性气体氛围下进行热处理，冷却至室温后，即可生成(Ti,Nb,Ta)C

【技术实现步骤摘要】
一种碳化钛铌钽连续固溶体的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种碳化钛铌钽连续固溶体的制备方法，属于陶瓷粉体制备


技术介绍

[0002]过渡金属碳化物如碳化钛(TiC，熔点为3067
o
C)、碳化铌(NbC，熔点为3600
o
C)和碳化钽(TaC，熔点为3950
o
C)属于超高温陶瓷(UHTCs)材料。它们均为NaCl型面心立方晶格结构，α=β=γ=90
o
，a=b=c，属于Fm3m空间群，晶格常数分别为0.4432nm、0.4469nm和0.4455nm。金属Ti、Nb、Ta原子分别位于TiC、NbC、TaC八面体晶胞的顶点和面心位置，呈面心立方紧密堆积；C原子填充八面体，位于每条棱的中心以及晶胞的中心位置。金属原子和C原子间还存在共价
‑
金属
‑
离子混合键，共价键是由金属原子和C原子形成，金属键来源于金属
‑
金属键的重排，离子键则由金属和C原子间的电子转移产生。因此，强共价键特性过渡金属碳化物具有优异的硬度、强度、超高温性能、耐腐蚀性能、热稳定性和化学稳定性等性能。此外，过渡金属碳化物(TMCs)具有和Pt类似的催化活性，在酸性环境下具有较好的化学稳定性、抗一氧化碳中毒性能和导电性，使其在催化领域也有优异发展前景。其中，NbC还具有良好的导电性（电阻率为35μΩ
·
cm）、抗热冲击和抗热氧化；TaC具有优良的抗氧化性能和良好的导热性(38.9W/(m
·
k))。这使得TiC、NbC和TaC在诸多领域有广泛的应用:(1)宇航部件：如推进系统、航天器的高温零件、发动机喷管等。而且TiC、NbC常作为增强相用于金属基陶瓷、金属基复合材料和硬质合金等材料中。(2)硬质涂层材料：涂层材料对其硬度、耐磨性、耐腐蚀等有很高的要求。TiC、NbC和TaC具有优异的性能能够满足涂层材料的要求，如高硬度，其维氏硬度分别为31.38GPa、23.54GPa和17.65GPa；较小的热膨胀系数，分别为7.74
×
10
−6K
−1、6.6
×
10
−6K
−1和6.3
×
10
−6K
−1；优良的稳定性等。TiC可作为增强相和缓冲基质；NbC的加入能够提升耐磨性能和高温性能；TaC可以增强材料的抗烧蚀性能和使用寿命，还具有可靠的生物相容性，可作为髋关节植入物的耐磨层。因此在模具钢表面涂层、金属工件涂层、航空航天热防护涂层、医疗器械等具有广泛的应用。(3)催化领域：TiC与Pt等贵金属相似的d带电子密度态；NbC具有良好的光吸附催化降解能力；有望代替稀有贵金属材料应用于催化领域、能源转化和存储来降低生产成本。
[0003]随着科技进步对材料服役性能要求的发展，单组元过渡金属碳化物陶瓷材料难以满足超高温、强氧化和强热流等复杂服役环境。王皓轩等人在论文“高熵过渡金属碳化物陶瓷的研究进展”中提到碳化物固溶体比单组元碳化物展现出更好的综合性能如机械性能、抗氧化性、热导性、离子电导率等。而多组元固溶体（高熵陶瓷）呈现出四种独特的效应，包括高熵、磁滞扩散、晶格畸变和鸡尾酒效应，可以使其获得优异的力学和功能特性，特别是在催化领域。已有研究表明TiC、NbC和TaC能够组成单相固溶体。Tan等人在论文“Compositional effect on mechanical properties of transition
‑
metal carbide solid solutions”中以金属碳化物TiC、NbC和TaC为原料，通过等离子烧结工艺(SPS)在1900
o
C施加50MPa压力并保温保压3分钟，制备出元素分布均匀且相对密度高达98.5%的单
相(Ti,Nb,Ta)C固溶体。研究结果表明：三元碳化物固溶体的力学性能相较于单组元碳化物有了明显的提高；(Ti,Nb,Ta)C样品的平均粒径约为6.4μm，其弹性模量、抗弯强度以及断裂韧性(K
IC
)分别为522GPa、560MPa和7.0MPa m
1/2
；与之相比，单组元TiC的抗弯强度和断裂韧性仅为320MPa和4.0MPa m
1/2
。Feng等人在论文“Synthesis of single
‑
phase high
‑
entropy carbide powders”中提及包含TiC、NbC和TaC的多元过渡金属碳化物固溶体的性能优于单组元碳化合物。并以氧化铪(HfO2)、氧化钛(TiO2)、五氧化二钽(Ta2O5)，氧化铌(Nb2O5)和碳黑(C)作为起始材料，在真空环境中先经碳热还原反应（1200~1600
o
C/1小时），接着进行高温固溶处理（1700~2000
o
C/1.5小时），合成出单相(Hf,Zr,Ti,Ta,Nb)C高熵碳化物粉末。但该制备工艺要求高，需要真空和高温环境，步骤繁琐，成本高，因此不利于其广泛应用。Wang等人在论文“Microstructure and mechanical properties of (TiZrNbTaMo)C high
‑
entropy ceramic”中使用ZrO2、TiO2、Nb2O5、MoO3和炭黑作原料，采用真空碳热还原法合成了致密度高、元素分布均匀的等摩尔金属成分的(Ti,Zr,Nb,Ta,Mo)C陶瓷，其制备条件为：还原温度为1500
o
C且保温1小时，再升温至1850
o
C热压1小时，最后在30MPa压力下且2100
o
C保温保压0.5小时。碳热还原法需要的高热处理温度，工序复杂，因此具有耗能大、效率低下的缺点，不利于实际工业生产中的应用；而且残留氧化物相（原始材料）会影响材料的性能。为此，选择以单组元碳化物为原料能够有效减少多元碳化物固溶体中氧化物杂质的存在。Yan等人在论文“(Hf
0.2
Zr
0.2
Ta
0.2
Nb
0.2
Ti
0.2
)C High
‑
Entropy Ceramics with Low Thermal Conductivity”中在真空中通过SPS技术，以单组元碳化物(HfC、ZrC、TaC、NbC和TiC)为原料在2000
o
C且30MPa压力下保温保压5分钟合成了元素分布均匀的单相(Hf,Zr,Ta,Nb,Ti)C，且表现出比单组元碳化物低得多的热扩散率。证明了以单组元碳化物作为原料来制备多元固溶体的可行性，但该合成过程温度较高且晶粒尺寸较大限制了应用。
[0004]然而上述过渡金属碳化物固溶体的制备过程繁琐，合成条件要求高；大部分依赖高温高压条件，不利于投入实际生产应用中。因此，本专利技术基于液相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明涉及一种碳化钛铌钽连续固溶体的制备方法，其特征在于：以碳化钛(TiC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)和钴(Co)粉末为原料；步骤如下：(1)TiC、NbC和TaC按照物质的量比(0.5~8):(0.33~4):1进行称取；(2)按照质量比3:7将步骤(1)所得到的碳化物粉体的总和与Co粉混合均匀；(3)混合粉末经模具压制成块体，然后移置管式炉中进行热处理；在惰性气体氛围下，以5~10<...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿欣，韩格，徐文喆，李蛟，耿一丹，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：