[发明专利]一种三维结构碳化铪-钛硅碳复相陶瓷的制备方法

说明书

本发明涉及一种三维结构碳化铪‑钛硅碳复相陶瓷的制备方法，分别制备得到HfC陶瓷料浆、钛硅碳陶瓷料浆，然后将上述浆料装入3D打印设备进行3D打印，完成后经干燥处理，然后置于保护气氛中除去聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物、聚乙烯醇，得到的HfC‑Ti₃SiC₂复相陶瓷坯体经烧结处理，得到三维结构碳化铪‑钛硅碳复相陶瓷。与现有技术相比，本发明提供了一种不仅工艺简单而且高效调控微观结构制备三维结构HfC‑Ti₃SiC₂复相陶瓷，实现了HfC和Ti₃SiC₂陶瓷的复合进而优化提高其力学和抗氧化性能，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及复相陶瓷的制备方法，尤其是涉及一种三维结构碳化铪-钛硅碳复相陶瓷的制备方法。

背景技术

超高温陶瓷(Ultra-high temperature ceramics，UHTCs)材料是一种新型的高温耐烧蚀的结构材料，其具有很高的熔点(2000℃)，高的硬度和杨氏模量，在高温条件下具有高的强度，低的热膨胀系数以及具有较好的热物理化学稳定性，高的热导率和电导率。最重要其具有较好的抗烧蚀性能而被应用于超音速飞机和固体火箭的热结构部件，例如喷管，机翼前缘以及发动机的热端部件；同时还应用于高温电极和切削刀具，因此备受广泛的关注。

超高温陶瓷大多是元素周期表中第Ⅳ族和Ⅴ族过渡金属元素的碳化物(HfC，ZrC，TaC，NbC)，硼化物(HfB₂，ZrB₂，TaB₂)以及氮化物(HfN，ZrN)，以及一些难熔金属合金和碳/碳复合材料(Ta，W，Ir和C/C复合材料)。

目前，碳化物是熔点最高且更耐高温的超高温陶瓷材料，尤其是HfC材料其熔点最高可达到3980℃，热膨胀系数仅为6.73×10^-6/℃，密度与其他碳化物相比较为适中(ρ＝12.7g·cm^-3)。但是HfC具有以下缺陷而阻止其被广泛应用于航空航天领域，主要有以下几点：一方面，陶瓷熔点较高，具有较低的自扩散系数，难以烧结致密化；其次，其作为高温结构材料而言，断裂韧性较低(2.1-3.4MPa·m^1/2)，难以加工成型；最后，其作为高温抗烧蚀材料，容易被氧化即当服役温度达到500℃以上有氧环境下材料开始氧化，这也限制了其在高温领域的应用。同时，Ti₃SiC₂ MAX相具有较高的断裂韧性，优异的热力学稳定性和较高熔点(3000℃)，以及较高的强度(580GPa)，高的热导率(43W·(m K)^-1)，然而具有较高的热膨胀系数为10×10^-6/℃，较高的断裂韧性(～10MPa·m^1/2)。

与HfC相比，单相Ti₃SiC₂在1400℃以上具有良好的抗氧化性能，这是由于SiO₂玻璃相生成起到了良好的抗氧化作用。同时将Ti₃SiC₂引入HfC中不仅提高其断裂韧性，可以在高温氧化气氛条件下诱导生成致密而稳定较好的复合氧化物 HfO₂-TiO₂-SiO₂保护层，提高HfC陶瓷高温抗氧化性能。因此HfC等UTHCs的烧结和3D打印制备成型成为近年来国内外研究的热点。同时3D打印制备复相超高温陶瓷对其结构进行设计和力学性能的提高方面具有重要的意义。