[发明专利]一种高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体及其制备方法

说明书

本发明属于碳化物陶瓷技术领域，具体涉及一种高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体及其制备方法，分子式为XC_yB_z，其中X为Zr、Ti、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo或W中的至少两种，0.6≤y＜1.0，0＜z≤0.4，y+z＝1，具有单一相面心立方结构，是通过将至少两种金属粉末与C粉球磨混合，经无压等离子烧结后破碎得碳化物粉体，然后再将其与B₂O₃粉、碳源混合后经高温烧结后破碎成粉制得。本发明陶瓷粉体为单一相固溶体，具有面心立方结构且含有硼元素，兼具碳化物的耐高温特性和硼化物的抗氧化特性，并可以用来制备出抗烧蚀抗氧化的高熵含硼碳化物超高温陶瓷块体或者复合材料。

技术领域

本发明属于碳化物陶瓷技术领域，具体涉及一种高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体及其制备方法。

背景技术

超高温陶瓷具有高熔点、高稳定性以及高的阻氧能力，用于高超音速飞行器的鼻锥和翼前沿，火箭的喉衬和扩散段等构件中，是航天飞机以及战略导弹热防护系统重要的候选材料。常用的超高温陶瓷包括Zr、Ti、Hf等元素的硼化物，氮化物和碳化物等二元系陶瓷，然而，二元系超高温陶瓷材料的抗氧化和抗烧蚀性能具有局限性，例如，ZrC在2500℃以下会被氧化成疏松多孔状的氧化锆层，隔氧能力差，不耐热流冲刷；ZrB₂和HfB₂在2500℃以上时陶瓷材料会因硼元素氧化物的快速挥发而导致烧蚀性能明显下降。

当前高熵的概念主要涉及合金材料，高熵合金的思想是由多个元素等摩尔或近等摩尔比例混合形成的合金，具有高的热力学混合熵，形成单一晶体结构，展示出比相应传统合金更高的强度、硬度和耐腐蚀性能等。到目前为止，在陶瓷领域，高熵陶瓷并无明确定义且研究较少。美国Duke大学Christina M.Rost等人首次将这种高熵合金思想用于合成高熵氧化物陶瓷(C.M.Rost,et al.Entropy-stabilized oxides,Nat.Commun.6.2015)；后续，加州大学J.Gild等人将这种高熵合金思想用于合成高熵超高温陶瓷(J.Gild et al:A NewClass of High-Entropy Materials and a New Type of Ultrahigh TemperatureCeramics,Sci.Rep.6.2016)。即在原有二元系超高温陶瓷基体中，添加与基体元素相似的多种其他元素，具有相对高的热力学混合熵，形成单一固溶体结构的化合物，可称之为高熵超高温陶瓷。中南大学Zeng Y等人发表文献“Zeng Y,Wang D,Xiong X,et al.Ablation-resistant carbide Zr_0.8Ti_0.2C_0.74B_0.26for oxidizing environments up to 3,000℃.[J].Nature Communications,2017,8:15836.”采用反应熔渗法和包埋法相结合制备具有单一相结构的Zr_0.8Ti_0.2C_0.74B_0.26陶瓷复合材料，该复合材料在3000℃条件下具有良好的抗烧蚀和抗氧化性能，证实了高熵含硼碳化物陶瓷的抗氧化性能远优于二元系超高温陶瓷。该研究成果已获国家发明专利，专利号为ZL201710361716.8，但是该专利仅是发明了碳纤维增强这种高熵含硼碳化物超高温陶瓷复合材料的制备方法，并没有涉及制备纯高熵含硼碳化物超高温陶瓷粉体的相关方法。