[发明专利]一种可控碳化铌-碳化钽固溶体微米立方体及其制备方法

说明书

本发明涉及一种可控碳化铌‑碳化钽固溶体微米立方体及其制备方法，属于陶瓷粉体制备技术领域。其特征在于：以NbC、TaC和Co粉为原料，按NbC:TaC:Co质量比(0.01~3.99):(0.01~3.99):1混合均匀，将混合粉体预制成型并进行热处理：在惰性气氛下，以2~100℃/min的升温速率加热至1200~1700℃，保温0.5~120 h，冷却至室温。采用1~15.2 mol硝酸溶液浸泡所制备的块体，待含钴金属基体被全部腐蚀溶解为止；对所剩粉体进行清洗并烘干，即可得到碳化铌‑碳化钽固溶体(Nb_xTa_1‑xC,0x1)微米立方体。本发明制备温度低，工艺简单，周期短，对设备要求低，节约能源，不造成污染。所制备的立方体粒径分布均匀，纯度高，具有优异的力学性能和良好的导热性能；适合用于新能源、航空航天、高超音速导弹等领域。

技术领域

本发明涉及一种可控碳化铌-碳化钽固溶体微米立方体及其制备方法，属于陶瓷粉体制备技术领域。

背景技术

碳化铌(NbC)和碳化钽(TaC)同属超高温陶瓷，它们均展现出立方NaCl型的晶体结构，空间群为Fm3m，点阵常数分别为0.4469 nm和0.4455 nm，α=β=γ=90°，金属Nb、Ta原子分别位于NbC、TaC晶胞的六个顶点以及面心处，C原子占据每条棱的中心以及晶胞的中心位置。

NbC和TaC作为过渡金属碳化物中的一员，均是高硬度(15~20 GPa)、强机械耐磨性、化学稳定性优越的超硬多功能材料，不与大多数化学物质发生反应，不溶于水，难溶于无机酸，微溶于硫酸和氢氟酸。NbC、TaC熔点分别为3600℃和3983℃，热膨胀系数分别为6.6×10⁻⁶ K⁻¹和6.3×10⁻⁶ K⁻¹。NbC具有良好的导电性，其电阻率为35μΩ·cm。TaC在保留了一部分金属Ta的优势外，还具有优异的高温抗氧化性、耐烧蚀性、抗热震性和热稳定性，是在2900~3200℃范围内能唯一保持一定机械性能的材料。

因NbC、TaC具有高硬度、高耐磨性、高熔点、化学稳定性好等诸多优良特性，它们被广泛应用于各类超硬材料的设计制造：(1) 复相陶瓷：NbC和TaC通常作为陶瓷材料的原料，由其制备的金属陶瓷具有高硬度、高熔点、优良的化学稳定性和导电性，在耐磨零件、切削刀具材料和电极材料等领域有着广泛的应用。(2) 宇航部件：许多航空航天装置的零件，如涡轮转子、叶片、发动机喷管以及核反应堆的结构件等通常工作的温度非常高，所以其对材料有着很高的要求。NbC和TaC的熔点极高，常在航空航天应用。而且NbC作为宇航材料，其强度能随着温度升高而增强，在800℃左右时达到强度增强的峰值。宇航部件的基体随着温度的升高由脆性转变为塑性，在此条件下在航空航天材料零件中混入一定量的NbC颗粒对塑性基体的强化有着增强的作用，高温增强效果有明显提高，因此加入NbC的复合材料具有非常好的的耐热强度。TaC主要应用于高超音速导弹、太空往返飞行器、航天飞机等飞行器的热防护系统。比如，可用作固体火箭发动机的喉衬材料和超高音速飞行器的关键部位，如机翼前缘、尾翼前缘、鼻锥以及发动机的热端；TaC陶瓷被认为是难熔金属、C/C或C/SiC复合材料的最佳替代者。