[发明专利]一种高熵二硅化物及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高熵二硅化物及其制备方法，属于高熵陶瓷材料技术领域。所述高熵二硅化物是由Mo、W、Ta、V、Nb以及Si六种元素按照1:1:1:1:1:10的摩尔比合金化形成的具有C40晶体结构的单相化合物，致密度大于99.2％，维氏硬度为14GPa～18GPa，热导率为7W·m^‑1·k^‑1～11W·m^‑1·k^‑1，而且该高熵二硅化物具有优异的抗氧化性能。采用热压烧结工艺制备所述高熵二硅化物，克服了烧结过程中金属粉末和硅粉易碳化以及金属元素易氧化的情况，而且有利于实现元素间的均匀扩散，得到纯度较高、热稳定性较高的产物；该工艺简单，易于操作，有利于实现高熵二硅化物的大量生产。

技术领域

本发明涉及一种高熵二硅化物及其制备方法，属于高熵陶瓷材料技术领域。

背景技术

硅化物由于其较高的熔点，强度高和抗氧化性强的特点，在航空航天、能源生产领域有着广阔的应用前景。目前广泛应用的MoSi₂的维氏硬度为9GPa～13GPa，存在着低温力学性能不足的缺陷，而且在400℃～600℃的氧化环境下，由于MoO₃和MoO₂的挥发性，导致自愈合的SiO₂氧化保护层破裂，抗氧化性能受到极大的影响。随着航空航天领域的快速发展，高温部件的工作温度需要进一步提高，MoSi₂在面对更加复杂的高温氧化环境时，显然已经不能胜任，需要进一步提高该材料的性能，因此需要开发新的硅化物材料。

研究表明，通过合金化元素如W，Ta，Al等可以有效提高金属二硅化物的力学性能和氧化性能，但是综合性能的提升有限。自2015年，Rost等人首次将高熵的设计理念引入陶瓷体系中，设计并成功制备了高熵陶瓷(Mg_0.2Co_0.2Ni_0.2Zn_0.2Cu_0.2)O高熵氧化物后，高熵陶瓷的研究在近几年来越来越受到科研工作者的广泛关注。目前关于高熵陶瓷的研究重心，仍是氧化物、碳化物和硼化物，且由于制备方法和技术工艺等的限制，高熵陶瓷存在着纯度不高，难以大量生产的困难。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种高熵二硅化物及其制备方法，由Mo、W、Ta、V、Nb五种金属元素与硅元素组成的单相化合物，具有优异的力学性能、良好的抗氧化性能以及较低的热导率；采用热压烧结工艺制备所述高熵二硅化物，工艺简单，易于控制，克服了烧结过程中金属粉末和硅粉易碳化以及金属元素易氧化的情况，所制备的产物纯度高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种高熵二硅化物，所述高熵二硅化物是由Mo、W、Ta、V、Nb以及Si六种元素合金化形成的具有C40晶体结构的单相化合物，致密度大于99.2％，维氏硬度为14GPa～18GPa，热导率为7W·m^-1·k^-1～11W·m^-1·k^-1；其中，Mo、W、Ta、V、Nb、Si的摩尔比为1:1:1:1:1:10，化学式记为(Mo_0.2W_0.2Ta_0.2V_0.2Nb_0.2)Si₂。

优选采用热压烧结工艺将Mo、W、Ta、V、Nb以及Si的单质粉体混合物进行合金化获得所述高熵二硅化物，具体制备步骤如下：

按照1:1:1:1:1:10的摩尔比将Mo、W、Ta、V、Nb以及Si元素对应的单质粉体混合均匀，得到混合粉体；将混合粉体装入石墨模具中，再将盛有混合粉体的石墨模具放入热压炉中，在惰性气体保护气氛下，加热至1200℃～1700℃并加压至20MPa～40MPa，保温保压60min～120min；在惰性气体保护气氛下冷却至室温，或者先在惰性气体保护气氛下冷却至≤300℃再通过对热压炉进行抽真空的方式继续冷却至室温，得到本发明所述高熵二硅化物。