[发明专利]一种ZrC1-x

说明书

本发明公开了一种ZrC_1‑x‑SiC复相陶瓷的制备方法，其特征在于，称取ZrC_1.0、Si₃N₄原料粉体，混合均匀，得到ZrC‑Si₃N₄混合粉体；将ZrC_1.0‑Si₃N₄混合粉体在真空条件下，加热保温，反应制得ZrC_1‑x‑SiC复合粉体；将ZrC_1‑x‑SiC复合粉体装入石墨模具中，于热压烧结条件下，在惰性气氛中保温，制得ZrC_1‑x‑SiC复相陶瓷。本发明采用Si₃N₄与ZrC_1.0原位反应生成细小的SiC颗粒和非化学计量的缺碳型ZrC_1‑x，制备的陶瓷的致密度高达100％，ZrC_1‑x相的平均晶粒尺寸仅为2～3μm，还具有原料价廉易得、制备工艺简单、可操控性强、容易实现规模化等优点。

技术领域

本发明涉及一种ZrC_1-x-SiC复相陶瓷的制备方法，属于特种陶瓷技术领域。

背景技术

以高温气冷堆、超临界水冷堆、熔盐堆、钠冷快堆、铅冷快堆、气冷快堆等六种反应堆设计概念为代表的第四代裂变核能系统被认为具有更好的安全性、经济竞争力，是先进核能系统的发展趋势和技术前沿。然而，第四代裂变核能系统的服役环境更加苛刻，运行温度和辐照中子注量显著高于第二代裂变核能系统，使现有核能系统用结构材料遇到了新的挑战。碳化锆(ZrC)和碳化硅(SiC)具有耐高温、中子吸收截面小等优点，成为先进核能系统的重要候选材料。进一步提高ZrC、SiC两种材料的力学性能、抗辐照性能，是核能材料领域重要的追求目标。

研究发现，通过调控ZrC的化学计量，形成非化学计量的ZrC_1-x，其晶格空位能够与辐照引起的离位间隙原子复合，具有促进辐照损伤自愈合的效果，提高了材料的辐照损伤容忍度。即，非化学计量的缺碳型ZrC_1-x的抗辐照性能优于化学计量的ZrC_1.0[Y Yang，etal.，Journal of Nuclear Materials，454(2014)130-135.]。另一方面，已有研究表明，多晶材料内部的界面可以捕获辐照产生的间隙原子和裂变气体，并能把捕获到的间隙原子反弹回材料内部的空位缺陷中，可促进离位原子-空位复合，有利于降低材料辐照损伤程度[G.Ackland，Science，327(2010) 1587-1588；XM Bai，et al.，Science，327(2010)1631-1634.]。所以，增加ZrC、SiC 陶瓷的内部的界面数量，将有助于提高材料的抗辐照性能。

众所周知，减小晶粒尺寸或添加第二相是增加材料内部界面数量的有效途径。因此，将ZrC与SiC复合，制备晶粒细小的ZrC-SiC复相陶瓷，将有利于从减小晶粒尺寸、形成ZrC/SiC异质界面两方面同时增加材料内部界面数量，达到提高材料抗辐照性能的目的。同时，若能在制备过程中形成非化学计量的ZrC_1-x相，即，获得ZrC_1-x-SiC复相陶瓷，将有利于进一步提升材料的抗辐照性能。研究表明：以ZrC粉和Si粉为原料进行反应热压烧结，可获得致密的ZrC_1-x-SiC 复相陶瓷[XG Wang，Journal of the American Ceramic Society，96(2013)32-36]。但是，由于Si粉熔点较低，高温烧结时在未完全反应前易形成液相Si而聚集，导致生成的SiC晶粒较为粗大，不利于材料的力学性能。因此，设计合理的反应路径，在反应烧结过程中原位生成非化学计量的ZrC_1-x和细小的SiC晶粒，从而提升材料的力学和抗辐照性能，对核用ZrC_1-x-SiC复相陶瓷的开发、应用具有重要意义。

发明内容