[發明專利]ZrC泡沫陶瓷及其制備方法

有效

• 申請號: 201410477411.X
• 申請日: 2014-09-18
• 公開（公告）號: CN104261871A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 李偉;蔣進明;王松;顏雙九;陳朝輝
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: C04B38/08
• 分類號: C04B38/08;C04B35/56
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪

技術領域

本發明屬于無機材料技術領域，尤其涉及一種ZrC泡沫陶瓷及其制備方法。

背景技術

泡沫陶瓷材料是具有三維空間網架結構的高氣孔率的多孔陶瓷體，具有高熔點、耐腐蝕、耐磨損等優異的陶瓷本征性能，且由于大量孔隙的引入，還具有低熱導率、可控滲透性、高比表面積、低密度、高比強度、低介電常數等性能，可廣泛應用于熔融金屬過濾、催化劑載體、隔熱材料、節能材料、吸聲材料及生物材料等各領域。目前，常見的泡沫陶瓷有Al₂O₃、ZrO₂、SiC、Si₃N₄泡沫，以及石墨化炭泡沫等。氧化物陶瓷由于高溫下易蠕變，其泡沫長期使用溫度低于1600℃；非氧化物陶瓷的熔點較高，SiC熔點可達2800℃，石墨化炭可耐3000℃高溫而不升華，但Si、C元素高溫氧化特性限制了其在氧化環境中的應用。因此，亟需開發抗高溫氧化的耐超高溫泡沫陶瓷，以拓展其在航空航天、化工、能源等領域高溫、氧化、化學腐蝕的苛刻環境下的應用。

超高溫陶瓷材料（UHTC），尤其是難熔金屬Zr、Hf、Ta的碳化物和硼化物（如ZrC、HfC、ZrB₂、HfB₂），具有3000℃以上高熔點、高熱導率、高彈性模量和高硬度，在高溫下可保持高強度，是未來超高溫領域最有前途的材料之一。在眾多UHTCs中，碳化鋯（ZrC）的熔點為3540℃，其氧化產物氧化鋯（ZrO₂）的熔點高達2700℃。當環境溫度達到1800℃以上時，ZrC氧化得到一種致密的、與ZrC基體牢固粘附的ZrO₂保護膜，從而抑制材料被進一步氧化。但是，關于ZrC陶瓷的研究主要集中于致密、實體材料的開發。

目前，國內外關于泡沫陶瓷的制備工藝常集中在有機泡沫浸漬工藝、發泡工藝、添加造孔劑工藝等，有文獻報道以直接發泡法制備了ZrC泡沫陶瓷，但該工藝制備的ZrC泡沫陶瓷壓縮強度不足0.5MPa。可見，因為ZrC陶瓷共價鍵強，擴散系數較低，陶瓷漿料難以燒結，所得泡沫陶瓷骨架難以達到均勻、致密的效果，且機械強度不高。此外，公開號為US5154970A的美國專利文獻公開了一種采用化學氣相沉積/浸滲（CVD/CVI）工藝在多孔基材骨架上沉積超高溫陶瓷涂層從而制備耐超高溫泡沫陶瓷的方法。但是，該工藝制備周期較長，成本高，難以制備厚度較大構件，且反應副產物具有腐蝕性，污染環境。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種力學性能好、耐高溫氧化性能優異的ZrC泡沫陶瓷，還提供一種工藝設備要求簡單、溫度要求低的ZrC泡沫陶瓷的制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為一種ZrC（碳化鋯）泡沫陶瓷，具有三維連通網絡結構，所述ZrC泡沫陶瓷的泡沫骨架包括C相（炭相）和ZrC相（碳化鋯相），所述ZrC相致密、連續地覆著于所述C相之上。

上述的ZrC泡沫陶瓷中，優選的，所述ZrC泡沫陶瓷的平均孔徑大小為15ppi～80ppi，密度為0.74g/cm³～1.85g/cm³，在常溫條件（通常是20℃～30℃）下，壓縮強度為10MPa～50MPa，在1800℃真空環境下，高溫壓縮強度為9MPa～50MPa。

上述的ZrC泡沫陶瓷中，優選的，所述ZrC泡沫陶瓷中所含孔隙所占體積分數為50%～85%，ZrC相的體積分數為5%～40%，C相的體積分數為5%～40%。

上述的ZrC泡沫陶瓷中，優選的，所述ZrC泡沫陶瓷是以五邊形十二面體或開孔球形為基本單元相互連接而成。

上述的ZrC泡沫陶瓷中，優選的，所述ZrC相為多晶結構（結晶度高，晶體結構完整），無擇優取向，所述ZrC相的平均晶粒尺寸為1μm～30μm。

作為一個總的技術構思，本發明還提供一種上述的ZrC泡沫陶瓷的制備方法，包括以下步驟：以C泡沫素坯為基材，以含Zr金屬為滲劑，采用低溫浸滲-高溫反應兩步法熔滲工藝進行處理，得到ZrC泡沫陶瓷半成品；然后將ZrC泡沫陶瓷半成品進行后處理，得到ZrC泡沫陶瓷。

上述的制備方法中，優選的，所述低溫浸滲-高溫反應兩步法熔滲工藝包括以下步驟：

（1）低溫浸滲：將含Zr金屬在真空或惰性氣體保護下加熱至浸滲溫度1200℃～2000℃（升溫速率通常為10℃/min～20℃/min），使含Zr金屬完全熔化，得到金屬熔液，然后將C泡沫素坯完全浸入金屬熔液中，保溫1min～60min，完成低溫浸滲過程；