[發明專利]一種具有高溫強度和硬度的高熵陶瓷及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910040601.8
• 申請日: 2019-01-16
• 公開（公告）號: CN109678523B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 郭偉明;張巖;吳利翔;張威;林華泰
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: C04B35/58
• 分類號: C04B35/58;C04B35/66;C04B35/64
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 楊曉松

本發明屬于陶瓷材料技術領域，公開了一種具有高溫強度和硬度的高熵陶瓷及其制備方法和應用。所述陶瓷是以HfO₂、ZrO₂、WO₃、MoO₃、TiO₂和無定型硼粉為原料，球磨混合后壓制成坯體；放入石墨坩堝中進行真空熱處理得(Hf_xZr_yW_zMo_nTi_m)B₂固熔體粉體；采用放電等離子燒結將上述固熔體粉體升溫至1000～1400℃時充入保護氣氛，然后升溫至1800～2200℃煅燒制得。所述陶瓷的分子式為(Hf_xZr_yW_zMo_nTi_m)B₂，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤n≤1，0≤m≤1；且滿足x+y+z+n+m＝1；該陶瓷的硬度為28～42GPa，斷裂韌性5～10MPa·m^1/2，抗彎強度和高溫強度均為800?1500MPa，熱處理后重量變化率為0.3～0.5％。

技術領域

本發明屬于陶瓷材料技術領域，更具體地，涉及一種具有高溫強度和硬度的高熵陶瓷及其制備方法和應用。

背景技術

超高溫陶瓷硼化物ZrB₂、TiB₂、HfB₂等具有良好的熱穩定性以及化學穩定性，引起了研究者的極大關注，其成為超音速飛行(空氣中溫度1400℃以上)、大氣層再入(在氧原子、氮原子環境中，2000℃以上)、火箭發動機(化學反應氣氛中，3000℃以上)等極端環境下的候選材料。由于其熔點都在3000℃以上，在1200℃以上仍具有較好的強度、良好的抗熱震性，所以其有希望應用于機翼前緣等需要在極端環境下使用的部件。所以現在研究者正致力于研究怎樣進一步提高其性能，以適應在極端環境下的應用。制備成固溶體可以有效提高材料的性能，近年來高熵陶瓷材料引起了研究者的興趣，高熵材料由于其熵值大，體系內部存在很多位錯，材料的性能有很大的改善，具有高硬度、高韌性、抗腐蝕等優異的性質，是應用于航空航天、超高速再入飛行器、核反應堆等領域的非常有前景的材料。

已報道文獻中高熵陶瓷的制備大多采用商業購買的粉末通過高能球磨后燒結獲得高熵陶瓷材料，高能球磨雖然可以降低粉末粒徑，但是由于其能量很高，必將不可避免的會引入球磨介質，污染粉末，雜質多存在于陶瓷的晶界位置，這會使得材料的高溫性能降低，限制其應用。W最為硬質合金的一種，若WB₂加入到高熵陶瓷中必將大幅度提高材料的性能，Gild研究報導的(Hf_0.2Zr_0.2W_0.2Mo_0.2Ti_0.2)B材料的致密度只有92.4％，硬度只有17.5GPa。由于商業中基本沒有WB₂粉末，其使用W₂B₅粉末作為替代，制備的(Hf_0.2Zr_0.2W_0.2Mo_0.2Ti_0.2)B₂材料并未是單相高熵陶瓷，而存在(Ti_1.6W_2.4)B₄相，W₂B₅粉末其與其他硼化物(ZrB₂、TiB₂、HfB₂、TaB₂、CrB₂等)晶格結構不相同，很難固溶形成單相高熵陶瓷，降低其性能，影響其在高溫的應用。文獻中報道W的引入可以去除材料中的雜質，凈化晶界，提高材料的高溫性能。

發明內容

為了解決上述現有技術存在的不足和缺點，本發明首要目的在于提供一種具有高溫強度和硬度的高熵陶瓷。該陶瓷具有均一固溶體相的、組元穩定的、高溫性能穩定、力學性能及抗氧化性能優異的高熵陶瓷。