[发明专利]高熵碳化物超高温陶瓷粉体及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高熵碳化物超高温陶瓷粉体及其制备方法，所述陶瓷粉体分子式为(M1_x1M2_x2……Mn_xn)C，M为Zr、Ti、Hf、V、Nb、Ta、Mo或W中的至少四种，具有单一面心立方结构，呈单一相固溶体。所述方法：将至少四种金属氧化物和碳粉制成阴极，熔盐电解得到纳米陶瓷粉体。本发明能够在电解过程中同时实现多种金属氧化物混合电脱氧和原位碳化以及固溶，具有工艺流程短、原料价格低廉、合成温度低、设备要求低、工艺过程简单，易于产业化及经济价值高等优点；能够为制备高质量的高熵碳化物纳米粉体提供一条经济和可行的新路线；还能够被作为半成品用于宇航部件、涂层材料和特种功能陶瓷等方面。

技术领域

本发明涉及碳化物陶瓷技术领域，具体来讲，涉及一种高熵碳化物超高温陶瓷粉体及其制备方法、以及含有该高熵碳化物超高温陶瓷粉体的宇航用部件、涂层材料和特种功能陶瓷。

背景技术

过渡金属碳化物具有超高硬度、高强度、优异的抗腐蚀、抗氧化及耐烧蚀等特点，广泛服役于如高温核反应堆、喷气发动机及最新一代超音速飞行器鼻锥、前缘等部位的保护性材料及支撑性结构部件之中。然而，随着航空航天、国防军工等国家重大战略对过渡金属碳化物材料性能的要求不断提高，传统过渡金属碳化物材料(如ZrC、HfC、TaC、(Ta，Hf)C等)已经无法满足使用需求。因此，可应用于未来极端服役环境下的新型过渡金属碳化物材料亟待开发。

在传统超高温复相陶瓷体系的基础之上，受合金领域“高熵”材料设计理念的启发，国内外研究人员近几年开始尝试制备高熵过渡金属碳化物陶瓷。研究表明，高熵化使过渡金属碳化物陶瓷具有明显高于各组元平均值的硬度与弹性模量、低于所有组元的热导率、更出色的抗氧化能力和抗高温蠕变特性以及良好的抗辐照损伤特性。由于具有远优于二元超高温陶瓷的抗氧化性能和抗烧蚀性能，是新一代热防护系统材料重要发展方向。目前，高熵碳化物(HEC)是通过机械研磨和随后的火花等离子烧结或碳热还原在2000℃左右的温度下制备的，产品几乎是块体或粗微米级的粉末。

然而，发明人经分析表示，高纯超细陶瓷粉体的合成不仅能降低块体陶瓷的烧结温度，而且能减小块体陶瓷的晶粒尺寸、提高陶瓷材料的致密度，从而提高陶瓷材料的性能。并且，组织结构均一的超细高熵金属碳化物陶瓷粉体不仅可以制备致密块体、陶瓷基复合材料的涂层或基体相，也可应用于粉末冶金工艺，还可以替代其他特殊条件下使用的高温合金粉体，应用于3D打印、激光再造技术和三维立体快速成型技术等。因此，制备大量和纳米粉末形式的高熵金属碳化物材料具有重要意义。

目前，高熵过渡金属碳化物粉体的制备方法主要有固相合成法、液相前驱体合成法和熔盐合成法等。

固相合成法根据原料粉体的不同可以分为三类。

第一类方法以商用金属碳化物粉体为原料，经球磨混合和高温放电等离子烧结(SPS)使原子发生扩散形成多种金属碳化物的单相固溶体。Zhou等人在1950℃合成了(Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2Nb_0.2Ta_0.2)C高熵陶瓷粉体，其粒径为2μm。该方法简单高效，但是由于所需温度高且原料粉体的颗粒尺寸较大，所以合成粉体的粒径较大。而且，原料粉体中不可避免的存在氧化物杂质或游离碳，这些杂质对后续陶瓷致密化会产生不利影响，最终很难获得高致密度的高熵碳化物陶瓷块体。