[发明专利]一种高熵二硼化物-碳化硅复相陶瓷、制备方法及其应用

说明书

本发明涉及复相陶瓷技术领域，具体涉及一种高熵二硼化物‑碳化硅复相陶瓷、制备方法及其应用；该复相陶瓷包括如下摩尔组分的混合料：过渡金属碳化物(碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化铌、碳化钽、碳化钒、碳化铬、碳化钼、碳化钨)中的5～9种，每种0～1份，碳化硼粉2.5～9份，硅粉7.5～18份，碳化硅粉0～27份；该高熵二硼化物‑碳化硅复相陶瓷密度＜5.3g/cm³，致密度≥95％，维氏硬度Hv5≥19GPa；本发明实现了轻质、高强、高硬高熵二硼化物‑碳化硅复相陶瓷的快速原位自生制备，且烧结温度低，因而在超高温材料、超硬材料、陶瓷刀具等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及复相陶瓷技术领域，具体涉及一种高熵二硼化物-碳化硅复相陶瓷、制备方法及其应用。

背景技术

超高温材料通常指服役温度超过2000℃的一类材料。通常包括难熔金属、炭材料和超高温陶瓷(过渡金属的硼化物、碳化物和氮化物)。

高熵硼化物、碳化物、氮化物强度高、硬度大并具有传统超高温陶瓷材料不具备的高熵效应，而获得优异的抗氧化和耐腐蚀性。对新型超高温防热材料、耐磨损、抗氧化高速切削工具和钻头等机械零件的开发和应用具有重要价值。

尽管高熵硼化物陶瓷具有优异的性能，但仍然存在烧结难、脆性大、服役可靠性差等缺点，主要归结于以下原因：第一，由于金属硼化物具有高熔点(TiB₂的熔点2980℃，ZrB₂的熔点3040℃，TaB₂的熔点3100℃，高的共价键配位特性和低的自扩散系数,使得传统的烧结工艺难以获得致密材料；第二，由于其难烧结特性，就需要较高的烧结温度,但是高温烧结获得高致密度的同时必然引起晶粒长大甚至异常长大,导致陶瓷强度降低；第三、也因该类陶瓷的高温烧结特点，使得较为成熟的纤维增韧与相变增韧等方法难以应用于其组织设计上，导致其脆性大、可靠性差。

目前，高熵二硼化物陶瓷复合材料普遍采用硼碳热还原制粉结合高温烧结的方法制备。该方法制备的单相和复相二硼化物高熵陶瓷存在晶粒尺寸较大、易引入氧污染阻碍烧结，导致高熵效应及增强相对材料性能的提升有限。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

本发明的目的在于解决采用硼碳热还原制粉结合高温烧结的方法制备得到的高熵二硼化物陶瓷复合材料存在晶粒尺寸较大、易引入氧污染，导致高熵效应及增强相对材料性能的提升有限的问题，提供了一种高熵二硼化物-碳化硅复相陶瓷、全组分可控制备方法及其应用。

为了实现上述目的，本发明公开了一种高熵二硼化物-碳化硅复相陶瓷，包括以下组分：过渡金属碳化物粉末中的任意5～9种、碳化硼粉、硅粉末、碳化硅粉，所述过渡金属包括碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钼、碳化钨。

所述组分的摩尔份数分别为：过渡金属碳化物粉末每种1～5份，碳化硼粉为过渡金属碳化物总份数的0.5～1倍，硅粉为过渡金属碳化物总份数的1.5～2倍，碳化硅粉为过渡金属碳化物总份数的0～3倍。

所述过渡金属碳化物粉末纯度＞98％，粒度0.5～3μm。

所述硅粉末纯度＞99％，粒度0.5～3μm。

所述碳化硅粉末纯度＞99％，粒度0.5～3μm。

本发明还公开了一种上述高熵二硼化物-碳化硅复相陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

S1：将过渡金属碳化物粉末、碳化硼粉、硅粉、碳化硅粉和无水乙醇放入球磨罐中，加入氧化锆磨球，在球磨混料机上以100r/min的速度混合24小时；

S2：将步骤S1中得到的混合浆料蒸干，然后在80℃下干燥24h；

S3：将步骤S2经干燥后的混合粉末研细，过200目标准筛；