[发明专利]具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷及其制备方法，具体涉及通过过渡金属氮化物和碳源反应，无压烧结制备，获得孔隙率和孔径均可调节且纳米孔均匀分布于陶瓷基体中的过渡金属碳化物陶瓷，属于多孔陶瓷材料制备领域。

背景技术

过渡金属碳化物（碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钼、碳化钨）以其极高的熔点、超高的硬度、优异的抗腐蚀能力、良好的热导率和电导率成为超高温陶瓷、硬质合金、电极材料以及强腐蚀环境中的重要候选材料，在工业领域有巨大的应用市场。此外，碳化钛、碳化锆等材料由于具有较低的中子吸收截面，被认为是第四代核能系统（Gen-IV）中快堆和加速器驱动次临界清洁能源系统（ADS）中惰性基体燃料的最佳候选材料之一。

作为Gen-IV系统关键材料，必须具备承受极端苛刻的中子辐照侵蚀（高达200dpa）的能力。尽管TiC、ZrC等碳化物陶瓷材料比绝大多数材料的抗辐照性能优异，但依然不能避免中子损伤，尤其是辐照过程中产生大量的裂变气体He和H₂，这些气体将聚集于材料晶界处形成氦泡等，最终导致材料的肿胀和脆变破坏。美国爱德华国家实验室的Gan等人采用Kr离子源在800℃下辐照平均晶粒尺寸为24μm的ZrC（美国CERCOM公司），结果显示：ZrC在辐照剂量达到70dpa时发生了7vol%的肿胀[J.Gan,M.K.Meyer,et al.,pp.358-364.In Effects ofRadiation on Materials:22nd Symposium,Vol.1475.Edited by T.R.Allen,R.G.Lott,J.T.Busby，andA.S.Kumar,2006]。

因此，必须设法避免应用于核能系统中的碳化物陶瓷材料的辐照损伤。目前材料设计多停留在模拟计算阶段，研究发现具有纳米孔结构的材料有利于裂变气体的有效逸出，避免裂变气体在晶界处大量聚集，造成材料肿胀和脆变破坏。

然而，绝大多数多孔材料的研究停留在泡沫法和模板法阶段，而且孔径大多为微米孔级别，这对于过渡金属碳化物陶瓷材料来说，严重降低了其本征具有的高强度、高硬度以及高热导率等性能，无法应用于对力学和热学性能要求严格的先进核能系统中。

目前对于过渡金属碳化物（MC），常规的MC商业粉体的制备方法主要采用以过渡金属氧化物（MO₂）、石墨原料的碳热还原法和以过渡金属（M）和石墨为原料的直接反应法。由于MO₂与石墨混合不均匀，团聚的MO₂原料于反应完成之前已经在高温（1300-1500℃）下快速生长，导致最终所得MC粉体颗粒尺寸较大；金属M原料的粒径较大且易发生氧化，导致产物MC团聚严重、氧杂质含量较高。总地来说，商业MC粉体粒径一般在几微米至几十微米，采用该类粉体为原料，一般需要较高的烧结温度并由此导致材料晶粒的异常生长。

另外，过渡金属碳化物由于具有极强的共价键，导致烧结过程中物质传输速度很慢，而且常规的商业粉体均含有氧化物杂质，研究发现，这些氧化物杂质在碳化物颗粒表面形成氧化物薄膜，大大降低了碳化物粉体的表面能和烧结活性，致使过渡金属碳化物陶瓷烧结陷入低温难以烧结、高温过烧的两难境地。

因此，要制备具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷材料难上加难，急需转变思路，寻找更加合适的途径，研究制备适用于过渡金属碳化物陶瓷的方法来实现纳米孔结构的控制。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷及其制备方法。

在此，一方面，本发明提供一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷，所述过渡金属碳化物陶瓷形成为纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中的结构，相对密度为80%～99%，孔隙率为1%～20%；所述纳米孔为开气孔，孔径为10nm～1000nm。

所述过渡金属碳化物陶瓷的相对密度优选为90%～95%。

该纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷的显微结构中，纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中。其中孔隙率优选为5%～10%。又，所述纳米孔的孔径优选为10～500nm。

在本发明中，所述过渡金属碳化物包括碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钼、和碳化钨。

本发明的具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷与普通过渡金属碳化物陶瓷相比，具有较好的力学性能和热学性能。