一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法

本发明属于陶瓷材料，具体涉及一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法。

背景技术：

1、随着高熵材料的概念在陶瓷领域进一步的扩展延伸，在过去五年中，高熵陶瓷逐步成为全球的研究热点。不同体系的高熵陶瓷，如氧化物、碳化物、硼化物、硅化物、氮化物等都得到了广泛的研究。与单组元陶瓷相比，高熵陶瓷具有更好的高温力学性能、热稳定性和抗氧化性，尤其是高熵二硼化物(heb)和碳化物(hec)陶瓷因其高熔点和优异的高温性能而有望成为在极端环境服役的超高温材料。

2、众所周知，由于heb和hec陶瓷具有强共价键和低自扩散系数，因此烧结致密化困难。研究结果表明：heb-hec复相高熵陶瓷相较于单相高熵陶瓷更易烧结，晶粒尺寸大大降低且力学性能显著提升。当前研究中heb-hec复相高熵陶瓷的制备方法通常是采用二硼化物-碳化物粉体直接混合后烧结，或者选择相应过渡金属氧化物粉体进行碳/硼热还原后进行烧结。

3、相较于以上方法，将过渡金属与陶瓷粉体进行直接混合工艺更为简单，在提高烧结活性的同时使得成分易于调控。但由于过渡金属与陶瓷粉体的特性差异较大，两者均匀混合难以实现，进而影响后续反应烧结过程。本发明旨在突破上述技术难点，制备微观组织均匀的高强韧heb-hec复相高熵陶瓷。

技术实现思路

1、本发明的目的是要突破过渡金属和陶瓷粉体难以混合均匀的技术难题，本发明提供一种低速摆震结合高能球磨以极大提升过渡金属与陶瓷混粉均匀性，并反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法。

2、一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法，是按以下步骤完成的：

3、一、制备复合粉体：

4、①、按照等摩尔比称取金属钛粉、金属锆粉、金属铪粉、金属钒粉、金属铌粉、金属钽粉、金属钼粉、金属钨粉和金属铬粉中的3～6种金属粉体，得到金属混合粉体i；

5、②、称取碳化硼粉体，上述金属混合粉体i和碳化硼粉体摩尔比为(3～4):1；

6、③、将金属混合粉体i和碳化硼粉体利用低速摆震进行初步混合，得到初步混合的复合粉体；

7、④、将初步混合的复合粉体进行高能球磨，得到充分混合的复合粉体；

8、二、将充分混合的复合粉体置于模具中，再放入放电等离子烧结炉内进行烧结，得到高强韧超高温复相高熵陶瓷。

9、本发明包含以下有益效果：

10、一、本发明采用低速摆震结合高能球磨两步法对过渡金属及碳化硼粉体进行直接混合，混合粉体的均匀性得到了极大的提升，后续烧结过程中过渡金属与碳化硼能够充分反应，制备得到微观组织均匀的heb-hec复相高熵陶瓷；

11、二、本发明利用过渡金属与碳化硼反应生成相应过渡金属碳化物及二硼化物，并选择放电等离子炉在惰性气氛保护下进行反应烧结得到高强韧heb-hec复相高熵陶瓷；多种过渡金属粉体和碳化硼在烧结过程中发生原位反应，同时发生固溶耦合，大大促进了传质过程，制备复相陶瓷的致密度均大于97％；此外，复相高熵陶瓷具有更复杂的界面关系和多组元效应导致晶粒生长比单相高熵陶瓷更困难；

12、三、本发明制备的高强韧复相高熵陶瓷的晶粒尺寸更加细小，同时强度和韧性均得到显著提升，室温下材料的硬度可达28～35gpa，弹性模量可达560gpa，三点弯曲强度可达600～800mpa，断裂韧性可达6～7mpa·m1/2。

13、本发明可获得一种高强韧超高温复相高熵陶瓷。

技术特征：

1.一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法，其特征在于该方法是按以下步骤完成的：

2.根据权利要求1所述的一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法，其特征在于步骤一①中所述的金属钛粉、金属锆粉、金属铪粉、金属钒粉、金属铌粉、金属钽粉、金属钼粉、金属钨粉和金属铬粉的纯度均>99.0wt.％，粉体的粒径均在10～90μm。

3.根据权利要求1所述的一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法，其特征在于步骤一②中所述的碳化硼粉体的纯度＞99.0wt.％，粉体的粒径为1～20μm。

4.根据权利要求1所述的一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法，其特征在于步骤一②中金属混合粉体i和碳化硼粉体摩尔比为(3～3.4):1。

5.根据权利要求1所述的一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法，其特征在于步骤一②中金属混合粉体i和碳化硼粉体摩尔比为(3.4～3.5):1。

6.根据权利要求1所述的一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法，其特征在于步骤一③中所述的摆震过程中参数设置为：顺时针旋转为正转，逆时针旋转为反转，完整的一次循环过程包含一次正转、间歇和一次反转；正转转速为100～500r/min，反转转速为100～500r/min，每个循环中正转时间为5～300min，每个循环中反转时间为5～300min，每个循环中间歇时间为5～30min；总的循环次数为1～10次。

7.根据权利要求1所述的一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法，其特征在于步骤一④中所述高能球磨的具体参数为：球磨的球料比为(10～50):1，球磨机转速为主盘100～400r/min，行星盘400～800r/min，球磨的总时间为10～40h，每次循环过程中运行时间为20～80min，间歇时间为10～40min，循环数为8～40次，球磨罐及磨球介质均为硬质合金。

8.根据权利要求1所述的一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法，其特征在于步骤二中在惰性气氛保护下，将放电等离子烧结炉以50～200℃/min的升温速率从室温升温至1900～2300℃，保证升温至800～1500℃时使得所加压强达到25～50mpa，随后直至降温阶段结束一直保持25～50mpa的压强；在1900～2300℃下保温5～30min，再以50～250℃/min的降温速率降至室温，脱模，得到高强韧超高温复相高熵陶瓷。

9.根据权利要求1所述的一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法，其特征在于所述的惰性气氛为氩气、氦气或氖气。

10.根据权利要求1所述的一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法，其特征在于步骤二中所述的高强韧超高温复相高熵陶瓷的相对密度>97％，室温硬度为28～35gpa，三点弯曲强度为600～800mpa，断裂韧性为6～7mpa·m1/2。

技术总结
一种两步混粉结合反应烧结制备高强韧超高温复相高熵陶瓷的方法，它属于陶瓷材料技术领域。本发明的目的是要突破过渡金属和陶瓷粉体难以混合均匀的技术难题。方法：一、制备复合粉体；二、将充分混合的复合粉体置于模具中，再放入放电等离子烧结炉内进行烧结，得到高强韧超高温复相高熵陶瓷。本发明制备的高强韧复相高熵陶瓷的晶粒尺寸更加细小，同时强度和韧性均得到显著提升，室温下材料的硬度可达28～35GPa，弹性模量可达560GPa，三点弯曲强度可达600～800MPa，断裂韧性可达6～7MPa·m<supgt;1/2</supgt;。本发明可获得一种高强韧超高温复相高熵陶瓷。

技术研发人员：霍思嘉,毛明煊,陈磊,王玉金,周玉
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29