[发明专利]碳化锆-碳化硅复合粉体材料及其制备方法

说明书

本申请公开了一种碳化锆‑碳化硅复合粉体材料，所述碳化锆‑碳化硅复合粉体材料中组分的摩尔比满足ZrC：SiC＝1：0.1～1：10；其制备工艺简单，成本低、过程易于控制；得到的碳化锆‑碳化硅复合粉体材料具有亚微米级、成分均匀、高纯度的优点。

技术领域

本申请涉及一种碳化锆-碳化硅复合粉体材料及其制备方法，属于无机非金属材料领域。

背景技术

碳化物陶瓷是优异的结构陶瓷材料，在高温、腐蚀、辐照等极端条件下，仍能保持良好机械性能，可应用于航空航天、核堆反应器、硬质合金加工、高温结构件等领域。单相的碳化物断裂韧性低、抗高温氧化性差，大大限制了其应用。近年来，基于两相材料特点，实现复合材料性能加和与互补，成为研究热点。碳化锆-碳化硅复合材料可以综合ZrC优异的耐高温、抗辐照性能以及SiC的高温抗氧化性能，通过两相复合，调控晶粒生长，可进一步提高复合材料的机械性能。由于碳化物的强共价键，低自扩散系数等特性，其烧结活性差。碳化锆-碳化硅超细复合粉体具有高表面活性，可有效降低烧结温度并促进致密化，同时实现两相均匀分布，得到显微结构与性能优异的复合材料，已获得研究人员的广泛关注。

目前制备复合陶瓷粉体的方法主要有以下方法：(1)固相混合法，通过机械混料将碳化物直接研磨混合，或者将相应氧化物/金属单质与碳单质原料机械混料后高温固相反应，如专利CN 103288454 A将锆盐、硅粉、酚醛树脂球磨混合，在1500～1800℃进行热处理，制备粒径约50μm的碳化锆-碳化硅复合粉体。该方法简单，但两相成分难以混合均匀，反应温度高，获得的粉体极易团聚结块，其形貌、粒度分布难以控制。(2)液相前驱体法，以有机锆、有机硅烷化合物溶于有机溶剂，聚合反应后，高温裂解制备碳化物复合材料，如专利CN105237773 A将二氯二茂锆、卤代硅烷单体、催化剂等溶于有机溶剂，过滤浓缩后，在2500℃高温下陶瓷化。该方法混料均匀，但原料成本高昂，同时大量有机溶剂易污染环境，且硅源与碳源并不独立，不易调节复合物Zr/Si比例而易造成碳残留。(3)溶胶-凝胶法，采用金属醇盐，加入表面活性剂等，缓慢水解，形成均一凝胶，热处理后可获得纳米尺度粉体材料。如Tao Cai等采用四丁醇锆、聚甲基硅乙炔基硅烷为原料获得凝胶后，1700℃反应，得到粒径100～300nm，成分分布均匀的碳化锆-碳化硅复合粉体。该方法的原料成分复杂、成本高，且陈化时间长、过程难控制，限制了其工业化大规模应用。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种碳化锆-碳化硅复合粉体材料，该材料尺寸达到亚微米级、粒径分布均匀、结晶纯度高、无杂相、颗粒团聚小。

所述碳化锆-碳化硅复合粉体材料中组分的摩尔比满足ZrC：SiC＝1：0.1～1：10。

优选地，所述碳化锆-碳化硅复合粉体材料的粒径为100nm～1μm。

优选地，所述碳化锆-碳化硅复合粉体材料的粒径为200nm～500nm。

本申请的另一方面，提供了制备所述的碳化锆-碳化硅复合粉体材料的方法，至少包含以下步骤：

(1)将含有锆源、碳源、硅源的混合溶液，进行水热反应，得到水热前驱体；

(2)在非活性气体氛围下，将步骤(1)中得到的前驱体进行煅烧，得到成分为氧化锆-氧化硅-碳的热解前驱体；

(3)将步骤(2)的热解前驱体在惰性气体氛围下，进行碳化还原反应，得到所述碳化锆-碳化硅复合粉体材料。

优选地，步骤(1)中所述锆源选自氯氧化锆、硝酸氧锆、硝酸锆、硫酸锆中至少一种；

所述碳源选自碳水化合物中的至少一种；

所述硅源选自甲基三甲氧基硅烷、六甲基二硅氧烷、正硅酸乙酯、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的至少一种。