[發明專利]一種過渡金屬二硼化物高熵陶瓷及其制備方法

在審

• 申請號: 201910096356.2
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN109734451A
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 梁浩;彭放;管詩雪
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C04B35/58
• 分類號: C04B35/58;C04B35/622;C04B35/645
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本發明公開了一種過渡金屬二硼化物高熵陶瓷及其制備方法。主要涉及一種具有優異性能的的高熵陶瓷材料，屬于高溫結構陶瓷領域。將至少五IVB,VB和VIB族過渡金屬硼化物粉末按照等摩爾比混合經過高能球磨、真空處理后被高熔點包裹材料封裝預壓后，在4~10 GPa，1000~1800℃的溫壓條件下燒結成二硼化物高熵陶瓷。本發明首次利用高溫高壓方法制備出了二硼化物高熵陶瓷，具有斷裂韌性高、致密度高、硬度高、晶粒尺寸小和優異的抗氧化性等顯著特點。本發明提供的方法具有成本低、對環境友好、原料易于獲取、燒結工藝簡單、產品性能好、成品率高等特點，便于工業化生產。

技術領域

本發明涉及一種過渡金屬二硼化物高熵陶瓷，具體涉及一種高溫結構材料過渡金屬二硼化物高熵陶瓷及其制備方法及其制備方法，屬于超高溫結構陶瓷材料領域。

背景技術

超高溫陶瓷（UHTCs）材料是一類具有3000℃以上的高熔點，并具有優良的高溫抗氧化性、耐腐蝕性和抗熱震性的過渡金屬硼化物，碳化物，氮化物和氧化物。其中IVB,VB和VIB族過渡金屬硼化物（TBMs）具有高熔點、高的硬度、優異的高溫抗氧化性能，以及良好的導熱性和導電性，是一種重要的用于制造高溫發熱元件的材料和航空航天用高溫結構材料。但是目前由于單一相族過渡金屬硼化的其低溫脆性較大，低溫氧化，抗蠕變能力差等缺點，限制了其工業應用。高熵合金（HEA），是由五種或五種以上等量或大約等量金屬形成的合金。由于高熵合金具有優異的機械和物理性能，因此在材料科學及工程上相當受到重視。近年來提出的高熵金屬二硼化物一一類高熵陶瓷（HEC）作為一種新型的高熵材料以及一類新的超高溫陶瓷可通過復相協同制備增強其性能，復相協同作用有助于提高材料的綜合力學性能。高熵陶瓷的特征在于陽離子位置中金屬元素的原子無序，導致形成顯著的晶格畸變。由于其獨特的顯微結構特征，使得高熵陶瓷具有高硬度，高強度，耐磨，耐腐蝕，高溫熱穩定性以及特殊的磁、電性能。目前制備高熵陶瓷的主要方法有：放電等離子燒結（SPS）(J.Gild, et al., Sci Rep, 2016, 6:37946; X.L. Y, et al., J. Am. Ceram. Soc.,2018, DOI: 10.1111/jace.15779; T.J. Harrington, et al., Acta Mater., 2018,DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.12.054)。本發明首次采用高溫高壓手段制備高致密度的高熵陶瓷塊體材料。再次從實驗上驗證了高熵陶瓷晶格中會產生高混亂度的定向性共價鍵有利于提高材料的整體性能。本發明制備工藝簡單，對環境友好，原料易于獲取，有利于工業生產，并且具有高熔點、高強度、高硬度、高韌性和高抗氧化性，正在發展成為一種新型的超高溫結構陶瓷材料，可以作為飛機發動機耐高溫部件的候選材料，在極端條件下具有很大的應用潛力，同時因其具有比商用碳化鎢的硬度亦可發展為一種新型的硬質合金。

發明內容

本發明目的在于提供一種過渡金屬二硼化物高熵陶瓷及其制備方法。解決傳統制備方法制備的樣品韌性低、抗氧化性差、硬度差和難以致密等問題。該陶瓷的成分復雜，至少有五種過渡金屬元素。本發明采用國產鏈鉸式六面頂大腔體壓機作為燒結設備。本發明提供的過渡金屬二硼化物高熵陶瓷具有致密度高、晶粒尺寸小、硬度高、斷裂韌性高和抗氧化性優良等顯著特點。本發明提供的過渡金屬二硼化物高熵陶瓷燒結體斷裂韌性達7.8MPa m^1/2，維氏硬度可達28 GPa，致密度高達99.6%。

本發明提供的過渡金屬二硼化物高熵陶瓷及制備方法主要包括以下步驟:

第一步：將初始按照等比例進行混合，形成多元混合粉末；

第二步：把多元混合粉末進行高能球磨，然后進行酸洗；

第三步：把酸洗之后的混合粉末進行高溫真空處理，并用高熔點包裹材料封裝、預壓成圓柱體；

第四步：將預壓成的圓柱體放入高壓合成組裝體中，將組裝好的高壓合成組裝體置于合成腔中進行高溫高壓燒結；