[發明專利]一種常壓固相燒結致密鉿固溶的碳化鉭超高溫陶瓷及其制備方法

在審

• 申請號: 201810570475.2
• 申請日: 2018-06-05
• 公開（公告）號: CN108706974A
• 公開（公告）日: 2018-10-26
• 發明（設計）人: 黃政仁;張步豪;殷杰;陳忠明;劉學建;姚秀敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/56
• 分類號: C04B35/56;C04B35/622;C04B35/66;C04B35/626;C04B35/64;C04B35/634
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種常壓固相燒結致密鉿固溶的碳化鉭超高溫陶瓷及其制備方法，該鉿固溶的碳化鉭的燒結體包含固溶相和殘余石墨相，所述固溶相為鉿固溶的碳化鉭，所述固溶相的化學組成為Ta_1?xHf_xC，其中0<x<0.5，所述殘余石墨相的體積百分比為4.5～12.3vol.%。該多元固溶體系中金屬原子的相互擴散更能提高物質傳輸的速度，從而促進碳化物的遷移，加速致密化進程。

技術領域

本發明涉及一種鉿固溶的碳化鉭(Ta_1-xHf_xC)燒結體及其制備方法，屬于超高溫陶瓷領域。

背景技術

超高溫陶瓷，一般指能夠實現2000℃以上的高溫及環境氣氛(如氧原子氣氛)下使用，熔點高于3000℃的一類化合物，主要為過渡金屬鉭、鉿、鋯的碳化物、硼化物及氮化物陶瓷材料，包括TaC、TaB₂、TaN、HfC、HfB₂、HfN、ZrC、ZrB₂等。通常，超高溫陶瓷金屬與非金屬元素在原子尺度上的結合，使材料同時兼備了金屬性，表現出優異的電導和熱導性能。卓越的性能使超高溫陶瓷能夠承受超高音速長時間飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行和火箭推進系統等極端環境下，可用于再入式飛行器、大氣層內高超聲速飛行器的鼻錐、機翼前緣和發動機燃燒室等各種關鍵熱端部件。

所有超高溫陶瓷中，由同一晶型的TaC和HfC固溶形成的Ta_1-xHf_xC_y超高溫陶瓷熔點最高，接近4000℃。其中已報道的固溶相Ta_0.8Hf_0.2C熔點為3990℃，是目前熔點最高的難熔碳化物。按照一般固溶體的形成規律，Ta原子半徑與Hf原子半徑相差小于15％，其相應的碳化物有可能互溶生成連續固溶體。成功固溶的Ta_1-xHf_xC_y超高溫陶瓷屬于立方密堆、NaCl型的晶體結構。此外，除了在燒結過程中雜質氧會對體系中的碳進行消耗，固溶過程中原晶格中的碳也會發生變化，最終也會對產物的微結構與性能產生影響。

考慮到TaC超高溫陶瓷較弱的抗氧化性能，氧化產物為熔點較低的Ta₂O₅相。將HfC添加到TaC超高溫陶瓷中形成的Ta_1-xHf_xC，在發生氧化后在材料表面形成較致密的含Ta₂Hf₆O₁₉焦綠石結構相的氧化層，更好的對基體材料進行保護，進而大幅度提高其抗氧化能力。由于TaC的抗氧化性能差，氧化產物為Ta₂O₅(熔點低)，而引入HfC原位固溶后，形成固溶相的氧化產物中包括Ta₂Hf₆O₁₉焦綠石結構，可大幅度提高其抗氧化能力。

但是，而Ta_1-xHf_xC固溶相超高溫陶瓷的固相燒結致密化困難，致密化后期晶粒快速長大容易導致最終樣品中經常包裹封閉氣孔，降低材料的力學性能。

發明內容

本發明旨在克服Ta_1-xHf_xC固溶相超高溫陶瓷的固相燒結致密化困難、致密化后期晶粒快速長大容易導致最終樣品中經常包裹封閉氣孔、降低材料的力學性能的技術難題，制備出綜合TaC陶瓷和HfC陶瓷的優點、力學性能優異的Ta_1-xHf_xC固溶相超高溫陶瓷。