一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法

本发明涉及超高温陶瓷，尤其是涉及一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法。

背景技术：

1、随着人类对太空的探索不断深入，对高性能高超声速航空航天飞行器的需求日益迫切，因而对其热防护材料的要求愈发严格。超高温陶瓷(uhtcs)是一种在航空航天耐超高温领域极具应用潜力的材料。通常，uhtcs被定义为熔点超过3000℃的化合物，主要包含碳化物、硼化物以及氮化物三类。其中，碳化物不仅熔点极高，而且具备高硬度、弹性模量、热稳定性以及良好的抗烧蚀性能，因此受到人们的广泛关注。

2、由于碳化物具有较强的键能，目前碳化物块体陶瓷的制备需要外部提供较高的能量作为烧结驱动力。常见的方法包括热压烧结法(hp)、热等静压烧结法(hip)、放电等离子体烧结法(sps)以及闪烧法(reafsps)等等。这些方法的共同特点在于都需在高温环境下来实现，并且烧结温度通常远高于碳化物陶瓷的起始氧化温度。受限于碳化物相对易氧化的特性和尺寸效应，无论是碳化物原料粉末还是元素粉原料粉末，粉末颗粒表面不可避免地会存在一层氧化层，即在整个碳化物块体陶瓷制备过程中原料会自带氧杂质。因此，在高温烧结条件下，碳化物块体难以避免地会存在氧化杂质。

3、碳化物陶瓷块体的晶界由于存在较多缺陷，因而局部能量较高，是氧化优先发生的点位。所以在烧结碳化物晶粒的三叉晶界等位置通常是氧化物杂质的富集区域。然而，这些三叉晶界位置处于材料基体内部，且分布十分弥散。

4、基于上述内容，提出一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法，采用多段热处理工艺，利用碳热还原反应化学平衡原理，使气态还原产物沿晶界向外排除，高效消除烧结碳化物块体中的杂质；本方法工艺简单、效率高，可实现样品批量化处理，应用潜力大。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法，包括以下步骤：

3、s1、将初始碳化物块体样本超声清洗，确保洗净表面油污、灰尘等吸附杂质后烘干；

4、s2、将干燥后的样品放入石墨罐内，并在罐盖上打孔以方便排气；

5、s3、将石墨罐整体放入高温碳管炉内，升温至一定温度进行烧结；

6、s4、反应完成后，随炉冷却得到无氧化物杂质的陶瓷块。

7、优选的，所述s1中，超声清洗的时长大于10min，清洗的介质为无水乙醇或丙酮。

8、优选的，所述s1中，烘干操作使用的器具为烘箱，烘箱温度为40～50℃，烘干时间≥48h。

9、优选的，所述s2中，石墨罐内粘附有用于阻隔初始样品与罐体直接接触的石墨纸，石墨罐在使用前进行烘干处理。

10、优选的，所述s3中，打开机械泵开关，使高温碳管炉内保持真空状态，整个烧结过程中的真空度低于10pa。

11、优选的，所述s3中，控制高温碳管炉的升温速率为10℃/min。

12、优选的，所述s3中，烧结过程中温度首先升至200～400℃，保温15～25min，然后升温至1900～2000℃，保温40～60min。

13、因此，本发明一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法，采用碳热还原反应化学平衡原理，利用碳的还原性，在高温真空条件下可有效还原初始碳化物中的氧化物杂质，使气态还原产物沿晶界向外排除，以获得纯净、单一相的目标样品。该方法工艺简单、效率高，可实现样品批量化处理，极大程度上提高了热烧结碳化物陶瓷块体的纯度，实现高性能碳化物陶瓷的制备，并且有望扩展到其他陶瓷制备领域，应用潜力大。

14、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法，其特征在于：所述s1中，超声清洗的时长大于10min，清洗的介质为无水乙醇或丙酮。

3.根据权利要求2所述的一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法，其特征在于：所述s1中，烘干操作使用的器具为烘箱，烘箱温度为40～50℃，烘干时间≥48h。

4.根据权利要求3所述的一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法，其特征在于：所述s2中，石墨罐内粘附有用于阻隔初始样品与罐体直接接触的石墨纸，石墨罐在使用前进行烘干处理。

5.根据权利要求4所述的一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法，其特征在于：所述s3中，高温碳管炉内为真空状态，整个烧结过程中的真空度低于10pa。

6.根据权利要求5所述的一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法，其特征在于：所述s3中，控制高温碳管炉的升温速率为10℃/min。

7.根据权利要求6所述的一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法，其特征在于：所述s3中，烧结过程中温度首先升至200～400℃，保温15～25min，然后升温至1900～2000℃，保温40～60min。

技术总结
本发明公开了一种消除碳化物陶瓷块体中氧化物杂质的方法，属于超高温陶瓷技术领域，包括以下步骤：S1、将初始碳化物块体样本超声清洗后烘干；S2、将干燥后的样品放入石墨罐内，并在罐盖上打孔以方便排气；S3、将石墨罐整体放入高温碳管炉内，升温至一定温度进行烧结；S4、反应完成后，随炉冷却得到无氧化物杂质的陶瓷块。本发明采用多段热处理工艺，利用碳热还原反应化学平衡原理，使气态还原产物沿晶界向外排除，高效消除烧结碳化物块体中的杂质；本方法工艺简单、效率高，可实现样品批量化处理，应用潜力大。

技术研发人员：陈招科,陈诗言,宋威龙,熊翔
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/17