[发明专利]一种高熵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，具体涉及一种高熵碳化物超高温陶瓷粉体及其制备方法，其分子式为XC_y，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，具有单一相面心立方结构，游离碳含量为≤0.35wt％，是通过将至少两种金属粉与C粉球磨混合，经无压放电等离子烧结制得。本发明高熵碳化物陶瓷粉体为单一相固溶体，具有单一相面心立方结构，游离碳含量低，纯度高，结构疏松易破碎，利于后期加工应用。

技术领域

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

背景技术

随着航天飞机、可回收火箭、超音速航天飞行器等快速发展，对其热防护系统材料的抗烧蚀和抗氧化性能提出了更高的要求，特别是在高达3000℃的条件下长时间抗烧蚀和抗氧化，目前，传统的二元超高温陶瓷(ZrB₂，HfB₂，ZrC，HfC，TaC，HfN等)难以满足此需求。

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。

多元高熵碳化物陶瓷(Zr_0.8Ti_0.2C_0.74B_0.26)的出现引起了重大的关注，由于具有远优于二元超高温陶瓷的抗氧化性能和抗烧蚀性能，是新一代热防护系统材料重要发展方向。中南大学Zeng Y等人发表文献“Zeng Y,Wang D,Xiong X,et al.Ablation-resistantcarbide Zr_0.8Ti_0.2C_0.74B_0.26for oxidizing environments up to 3,000℃.[J].NatureCommunications,2017,8:15836.”报道了这种陶瓷复合材料，采用反应熔渗法和包埋法相结合的方法制备，具有单一相面心立方碳化物结构，在高达3000℃条件下具有良好的抗烧蚀和抗氧化性能，该研究成果已获申请专利(ZL201710361716.8)，但是该专利仅是发明了碳纤维增强这种超高温陶瓷复合材料的制备方法，并没有涉及制备纯碳化物超高温陶瓷粉体的相关方法。因此，纯高熵碳化物超高温陶瓷粉体快速、高效的制备成为了超高温热防护材料发展中急待解决的问题。