一种低碳高熵陶瓷粉体及其制备方法

本发明属于准备制造陶瓷制品的无机化合物的加工粉末，具体地，涉及一种低碳高熵陶瓷粉体及其制备方法。

背景技术：

1、超高温陶瓷(ultra-high temperature ceramic materials，uhtc)是指具有超高熔点(大于3000℃)、高硬度、高稳定性及良好高温强度的一类陶瓷材料，主要包括一系列过渡金属碳化物、硼化物和氮化物。由于在极端高温服役环境中具有优异的物理化学性能以及稳定性，超高温陶瓷成为未来高超声速飞行和可重复使用运载飞船领域最具前途的隔防热候选材料。随着航天技术的发展，空天飞行器的飞行速度不断提高，对其所使用的热防护材料的要求也不断提高，现有的超高温陶瓷体系通常只能耐受2500℃以内的服役温度，在抗氧化烧蚀性、能量耗散率以及有效服役时间上存在一定局限性。而且由于红外辐射是空天飞行器在空间中飞行唯一的散热方式，高的红外发射材料能够大大降低飞行器表面的温度。因此，探索新的高红外发射热防护材料是发展高超声速飞行器和空天飞行器的迫切需求。

2、高熵超高温陶瓷是等(近)摩尔比的5种及以上阳离子在相同阵点随机分布形成的单相超高温陶瓷。由于高熵超高温陶瓷的高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应，使得其相比传统的单主元超高温陶瓷有着更高的硬度、强度、熔点、耐磨性和热稳定性以及更低的热导率。高熵硼化物陶瓷即是高熵超高温陶瓷的一种，相比传统的复合材料及单元陶瓷，它的烧结致密度、断裂韧性以及抗氧化性都会得到进一步的增强，由于在高温下表面氧化形成玻璃态的氧化硼-金属氧化物，阻挡了氧的进一步扩散，在更高温度(>2500℃)下往往会有更好的热防护性能。而且由于高熵超高温陶瓷其中的多种杂质金属元素，引入了杂质能级，导致其中的电子跃迁更加容易，从而使超高温陶瓷有着更高的红外发射率，使其在高温环境下的散热性能更佳。

3、而高纯超细粒径的硼化物高熵陶瓷粉体是合成高性能硼化物高熵陶瓷材料的前提。为此，研究人员发展了机械合金化法、自蔓延高温合成法、硼热还原法和低温熔盐法等研制高熵硼化物陶瓷粉体。例如，高熵硼化物陶瓷首先是在2016年由加州大学圣地亚哥分校的luo jia n团队gild等人成功研究合成[sci.rep.2016,6,37946]，他们采用机械合金化法将5种单主元硼化物通过机械球磨成功合成了高熵硼化物，然而此种方法由于长时间的机械球磨可能会导致粉体造成污染，并造成原料氧化，导致烧结成块体的致密度较低。tallarita等人于2019年报道了他们利用金属单质粉体和无定形硼粉，通过自蔓延高温合成法成功制备了多组元金属硼化物固溶体[scripta.mater.2019,158,100-104]，但此方法合成的高熵陶瓷含有未固溶的二元硼化物，且转换率较低。同年2019年，zhang等人采用硼热还原法成功制备了亚微米高熵硼化物[scripta.mater.2019,164,135-139]，但是在xrd中发现了许多氧化物杂质，以及出现了2种硼化物晶型。ye等人通过低温熔盐法，使用过渡金属氧化物、氧化硼和镁粉作为反应前体，并使用氯化镁作为熔融介质也成功合成出高熵硼化物[j.am.ceram.soc.2020,103(9),4738]，但在熔盐法合成过程中使用的熔盐和坩埚也会对制备的粉体造成污染，从而掺入杂质。

4、总体看来，上述四种合成方法都能够成功合成高熵硼化物陶瓷粉体，但往往由于长时间机械球磨、反应温度较高和金属单质活性较高等原因，在制备过程中容易掺入未固溶的多元硼化物和氧化物等其他杂质，且制备出的粉体颗粒较大，从而导致后续烧结成型的高熵陶瓷块体的致密度较低，力学性能和抗氧化性能达不到理想效果甚至可能相比单主元的硼化物陶瓷更低。如果合成的粉体中存在其他杂质如碳，将会影响到粉体的烧结工艺以及块体的物理化学性能；大的颗粒尺寸也会增加块体的烧结温度和降低其致密度；同时如果合成的陶瓷粉体元素分布不均匀，会导致局部相的偏析和显微结构的差异，最终也会导致烧结块体性能的下降。因此，亟需探索高质量的高熵硼化物陶瓷粉体的制备方法，实现高纯度、低碳、超细粒径、元素分布均匀的高熵硼化物陶瓷粉体，后续才能够烧结得到高致密度、强抗氧化性及力学性能优异的陶瓷块体。

技术实现思路

1、1、要解决的问题

2、针对现有技术中的高熵陶瓷粉体碳含量高，纯度不高，杂质含量大，粒径较大，元素分布不均匀导致高红外发射率和强的高温耐受度不能兼得的技术问题，本技术提供一种低碳高熵陶瓷粉体，粉体纯度高，碳含量较低，粒径较小，元素分布均匀，兼具高红外发射率和强的高温耐受度。本技术还提供了一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法，采用共沉淀辅助碳/硼热还原法制备具有高红外发射率的低碳高熵陶瓷粉体，过程简单，反应易控，生产周期短，生产成本低，在较低温度下即可制备得到低碳超细高熵陶瓷粉体，更适应于高超音速飞行器下的超高温材料需求。

3、2、技术方案

4、为达到上述目的，提供的技术方案为：

5、本技术的一种低碳高熵陶瓷粉体，所述低碳高熵陶瓷粉体为(zr0.2hf0.2ti0.2nb0.2mo0.2)b2；所述低碳高熵陶瓷粉体的碳含量不高于1％；所述低碳高熵陶瓷粉体的红外发射率不低于90％；所述低碳高熵陶瓷粉体的高温耐受度不低于1700℃。

6、进一步地，所述低碳高熵陶瓷粉体中过渡金属元素、硼元素、碳元素的物质的量之比为1∶2.4～3∶5.1～7.9。

7、优选的，所述低碳高熵陶瓷粉体中过渡金属元素、硼元素、碳元素的物质的量之比为1∶2.4∶5.1。

8、进一步地，所述低碳高熵陶瓷粉体的粒径分布为200～300nm。

9、进一步地，所述低碳高熵陶瓷粉体由共沉淀辅助碳/硼热还原法制备得到。

10、进一步地，所述过渡金属元素的来源原料为zrcl4，hfcl4，ticl4，nbcl5，mocl5；所述硼元素的来源原料为硼酸；所述碳元素的来源原料为山梨醇。

11、一种所述低碳高熵陶瓷粉体的制备方法，包括如下步骤：

12、包括制备过渡金属溶液的步骤：将等物质的量之比的zrcl4，hfcl4，ticl4，nbcl5，mocl5混合后加入乙酸中，得到过渡金属溶液；

13、包括制备硼元素和碳元素混合溶液的步骤：将硼酸和山梨醇混合后倒入乙酸，恒温加热搅拌至溶液无色澄清透明，得到硼元素和碳元素混合溶液；

14、包括制备前驱体溶液的步骤：将所述过渡金属溶液均匀缓慢滴入所述硼元素和碳元素混合溶液中，持续搅拌，得到白色絮状沉淀与浅绿色前驱体溶液；所述过渡金属元素、硼元素、碳元素的物质的量之比为1∶2.4～3∶5.1～7.9；

15、包括将所述前驱体溶液陈化后煅烧的步骤，得到所述低碳高熵陶瓷粉体。

16、优选的，制备过渡金属溶液时，采用磁力搅拌。

17、进一步地，所述过渡金属溶液滴入所述硼元素和碳元素混合溶液中的速率为1～5ml/min。

18、进一步地，所述恒温加热搅拌的温度为70～80℃；所述过渡金属溶液均匀缓慢滴入所述硼元素和碳元素混合溶液中时，所述硼元素和碳元素混合溶液的温度不低于40℃。

19、进一步地，所述陈化步骤的参数为：于80℃陈化4～8h后，于80～120℃烘干8～12h。

20、进一步地，所述煅烧步骤的参数为：高温炉中使用高纯氩气作为保护气，以5～10℃/min的速率升温至1000℃，保温30min；以2～5℃/min的速率升温至1500℃，保温30min；以1～2℃/min的速率升温至1700～2000℃，保温1～4h。

21、3、有益效果

22、采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：

23、(1)本发明的一种低碳高熵陶瓷粉体，为(zr0.2hf0.2ti0.2nb0.2mo0.2)b2，红外发射率为不低于90％，高温耐受度不低于1700℃，过渡金属元素、硼元素、碳元素的物质的量之比为1∶2.～～3∶5.1～7.9，粉体纯度高，碳含量较低，粒径较小(粒径分布为200～300nm)，元素分布均匀，兼具高红外发射率和强的高温耐受度。

24、(2)本发明的一种低碳高熵陶瓷粉体的制备方法，使用共沉淀辅助碳/硼热还原法制备具有高红外发射率的低碳高熵陶瓷粉体，采用过渡金属氯盐、硼酸、山梨醇和乙酸作为原料混合形成前驱体沉淀混合液，烘干之后进行研磨得到前驱体粉末，再在高温炉中进行煅烧，过程简单，反应易控，生产周期短，生产成本低，在较低温度下即可制备得到低碳超细高熵陶瓷粉体，得到的粉体具有低于1％的较低碳含量，在xrd中显示单相固溶体纯相，无其他杂质峰；且通过透射电镜的eds元素分布图显示各元素分布均匀。相比传统的单元二硼化物陶瓷粉末烧结的块体具有更高的熔点、更高的硬度、更良好的热稳定性，更适应于高超音速飞行器下的超高温材料需求；同时使用的共沉淀法相比固相反应法合成的高熵超高温陶瓷具有更低的烧结温度与更高的致密度。