[发明专利]一种具有高温强度和硬度的高熵陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明属于陶瓷材料技术领域，公开了一种具有高温强度和硬度的高熵陶瓷及其制备方法和应用。所述陶瓷是以HfO₂、ZrO₂、WO₃、MoO₃、TiO₂和无定型硼粉为原料，球磨混合后压制成坯体；放入石墨坩埚中进行真空热处理得(Hf_xZr_yW_zMo_nTi_m)B₂固熔体粉体；采用放电等离子烧结将上述固熔体粉体升温至1000～1400℃时充入保护气氛，然后升温至1800～2200℃煅烧制得。所述陶瓷的分子式为(Hf_xZr_yW_zMo_nTi_m)B₂，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤n≤1，0≤m≤1；且满足x+y+z+n+m＝1；该陶瓷的硬度为28～42GPa，断裂韧性5～10MPa·m^1/2，抗弯强度和高温强度均为800‑1500MPa，热处理后重量变化率为0.3～0.5％。

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种具有高温强度和硬度的高熵陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

超高温陶瓷硼化物ZrB₂、TiB₂、HfB₂等具有良好的热稳定性以及化学稳定性，引起了研究者的极大关注，其成为超音速飞行(空气中温度1400℃以上)、大气层再入(在氧原子、氮原子环境中，2000℃以上)、火箭发动机(化学反应气氛中，3000℃以上)等极端环境下的候选材料。由于其熔点都在3000℃以上，在1200℃以上仍具有较好的强度、良好的抗热震性，所以其有希望应用于机翼前缘等需要在极端环境下使用的部件。所以现在研究者正致力于研究怎样进一步提高其性能，以适应在极端环境下的应用。制备成固溶体可以有效提高材料的性能，近年来高熵陶瓷材料引起了研究者的兴趣，高熵材料由于其熵值大，体系内部存在很多位错，材料的性能有很大的改善，具有高硬度、高韧性、抗腐蚀等优异的性质，是应用于航空航天、超高速再入飞行器、核反应堆等领域的非常有前景的材料。

已报道文献中高熵陶瓷的制备大多采用商业购买的粉末通过高能球磨后烧结获得高熵陶瓷材料，高能球磨虽然可以降低粉末粒径，但是由于其能量很高，必将不可避免的会引入球磨介质，污染粉末，杂质多存在于陶瓷的晶界位置，这会使得材料的高温性能降低，限制其应用。W最为硬质合金的一种，若WB₂加入到高熵陶瓷中必将大幅度提高材料的性能，Gild研究报导的(Hf_0.2Zr_0.2W_0.2Mo_0.2Ti_0.2)B材料的致密度只有92.4％，硬度只有17.5GPa。由于商业中基本没有WB₂粉末，其使用W₂B₅粉末作为替代，制备的(Hf_0.2Zr_0.2W_0.2Mo_0.2Ti_0.2)B₂材料并未是单相高熵陶瓷，而存在(Ti_1.6W_2.4)B₄相，W₂B₅粉末其与其他硼化物(ZrB₂、TiB₂、HfB₂、TaB₂、CrB₂等)晶格结构不相同，很难固溶形成单相高熵陶瓷，降低其性能，影响其在高温的应用。文献中报道W的引入可以去除材料中的杂质，净化晶界，提高材料的高温性能。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明首要目的在于提供一种具有高温强度和硬度的高熵陶瓷。该陶瓷具有均一固溶体相的、组元稳定的、高温性能稳定、力学性能及抗氧化性能优异的高熵陶瓷。