[发明专利]一种可规模化制备HfO2-ThO2超高温氧化物复相陶瓷的方法

说明书

本发明公开一种可规模化制备HfO₂‑ThO₂超高温氧化物复相陶瓷的方法，包括如下步骤：将HfO₂粉、ThO₂粉、烧结助剂混合，获得混合粉，造粒获得粉料，将粉料进行模压成型，获得复相陶瓷生坯，再于氧化气氛下烧结即得HfO₂‑ThO₂超高温复相陶瓷；所述模压成型采用二次保压；本发明首创的提供了一种在常压下将HfO₂‑ThO₂超高温氧化物复相陶瓷烧结致密的方法，发明人发现，在有烧结助剂的情况下，通过压制过程中采用二次保压获得的生坯，通过在氧化气氛下烧结即能够获得致密的HfO₂‑ThO₂超高温氧化物复相陶瓷。本发明的制备方法，由于在常压下进行烧结，无需特殊的设备，因此可以实现低成本、大规模的生产。

技术领域

本发明属于陶瓷材料的制备技术领域，具体的涉及一种可规模化制备HfO₂-ThO₂超高温氧化物复相陶瓷的方法。

背景技术

高超声速飞行器是指飞行速度超过5马赫数（即5倍声速）的飞行器，由于其具有飞行及响应速度快、机动及突防能力强等特点，飞行高度在离地面20km~100km的近空间区域，具有极高的商业及军工应用价值。然而，高超声速飞行器在大气中持续飞行时，由于强烈的空气压缩、机体的外表面与大气的摩擦以及粘性耗散等，会使流场中的空气温度显著升高，产生了一种极为恶劣的热环境，如果无法及时防止这些热量对飞行器的主体造成侵蚀，飞行器可能无法有效的完成任务，甚至会对飞行安全造成极大的威胁。故因此，对热防护材料的研究与开发也成为了当下的研究热点。

在高超声速飞行器工作的超高温、强粒子冲刷及富氧条件下，飞行器热防护系统中目前广泛使用的超高温陶瓷（UHTCs）改性C/C复合材料中的超高温陶瓷均有向氧化物转变的趋势，即表明开发出一种在超高温、强粒子冲刷及富氧条件下，化学反应少、相变少、结构稳定的氧化物陶瓷材料是非常必要的。HfO₂优良的高温性质满足了苛刻热环境条件下对材料的要求。HfO₂是一种典型的超高温氧化物陶瓷材料，其熔点接近2800℃，工作温度高达2400℃，HfO₂与水或含Na/K气氛中不发生反应，并有着接近1700℃的相转变温度（单斜相四方相立方相），具有高的热化学稳定性和机械稳定性；其导热率低且热辐射率高，可以将服役时将接收到的热量辐射出去不易于热量传导至材料上。另外，HfO₂蒸汽压低，在超过2000℃的高温领域时，HfO₂为所有超高温氧化物陶瓷中蒸汽压最低的材料之一，可以有效阻止燃烧气体的侵蚀。HfO₂在热防护系统上的应用也具有较大的潜力。早在2007年，美国的一份研究报告就预计了HfO₂可作为在航天器返回地球时提高航天器抗氧化烧蚀能力的一种涂层材料。中科院兰昊等在Cf/SiC复合材料表面制备了HfO₂涂层，涂层在1350℃、50周次热冲击下仍未失效，其在1350℃下的水热寿命可达27次。这一系列优良的高温性质引起了对HfO₂陶瓷材料在高温结构材料领域的新的研究热潮。进一步的研究表明，通过对HfO₂进行掺杂可以进一步提高其高温性能，更扩大了其在高温下的应用前景。国防科技大学赵生合等在Ir表面制备了HfO₂-Y₂O₃复合涂层（Y₂O₃的掺杂量为7.5wt%），复合涂层在400℃时辐射率为0.69，热扩散速率为0.592mm²/s，有望在高超声速飞行器喷管和机翼前缘等方面得到应用；武汉理工大学董树荣等将氧化铽、氧化镨等稀土氧化物掺杂进HfO₂中制备出了RE₂O₃-HfO₂复合高辐射率高温陶瓷涂层，涂层的辐射率可达0.91以上，大大提高了HfO₂在高温下的辐射散热能力。