[發明專利]一種石墨烯增韌的高熵硅化物陶瓷及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010838588.3
• 申請日: 2020-08-19
• 公開（公告）號: CN112062576A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 周宇章;譚大旺;郭偉明;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;C04B35/65;C04B35/80
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 彭玉婷

本發明屬于高熵陶瓷材料領域，公開了一種石墨烯增韌的高熵硅化物陶瓷及其制備方法和應用。該高熵硅化物陶瓷是將Ti、Zr、Nb、Mo、W、Ta中的任意五種金屬與Si粉體混合，加入石墨烯納米片，經球磨得到混合粉體，在保護氣氛下，施加壓力10～30MPa，在900～1300℃進行SPS燒結，自然冷卻制得；其中，所述任意五種金屬的總摩爾與Si的摩爾比為1：2；所述任意五種金屬為相同摩爾。本發明通過加入少量石墨烯納米板實現對高熵硅化物陶瓷的增韌，提高其斷裂韌性與抗彎性能，并消耗原料或制備過程中引入的氧元素，提高材料的燒結致密度。制得的陶瓷可廣泛應用于各種高溫場合下的隔熱零件、保護外殼或結構復雜的結構件。

技術領域

本發明屬于高熵陶瓷材料技術領域，更具體地，涉及一種石墨烯增韌的高熵硅化物陶瓷及其制備方法和應用。

背景技術

高熵概念源自近十幾年來對高熵合金的研究，借助反應物在制備過程中的高熵效應，制備出了性能優異、微觀結構穩定的合金材料。隨著制備工藝的發展，高熵理論漸漸應用到了非金屬化合物的制備領域，誕生了“高熵陶瓷”材料。

高熵陶瓷化學式表示為(A_0.2B_0.2C_0.2D_0.2E_0.2)F_n，其中ABCDE為金屬元素，它們的摩爾量相等，F為陶瓷材料的體系，目前常見的體系有碳、硼等等；材料的微觀體結構大多為為密排六方結構，具有優異的力學性能與化學穩定性，在高溫的應用場合下力學性能和化學性質均十分穩定。

目前，高熵陶瓷的研究中，高熵硅化物陶瓷的成功制備為高熵陶瓷體系的研究展開了新的篇章；基于硅、鉬化合物(MoSi₂)制備的(Ti_0.2Zr_0.2Nb_0.2Mo_0.2W_0.2)Si₂與(Ti_0.2Ta_0.2Nb_0.2Mo_0.2W_0.2)Si₂高熵陶瓷呈現密排的六方結構，硬度大，耐高溫，抗氧化，并且導熱率為6.9±1.1Wm^-1 K^-1，僅為MoSi₂的十分之一，在高溫冶金、發動機結構件、絕熱件等領域有寬闊的應用前景。但該種材料在制備過程中容易引入氧元素，導致成品產生缺陷，致密度下降；同時成品材料韌性差，僅能制備形狀簡單的零部件，這大大制約了此類材料的進一步應用。

發明內容

為了解決上述現有技術存在的不足和缺點，提供一種石墨烯增韌的高熵硅化物陶瓷。該高熵硅化物陶瓷利用加入的少量石墨烯納米片實現對高熵硅化物陶瓷的增韌，提高其斷裂韌性與抗彎性能，并消耗原料或制備過程中引入的氧元素，提高材料的燒結致密度。

本發明的另一目的在于提供上述石墨烯增韌的高熵硅化物陶瓷的制備方法。該方法以微米級高純度的Ti、Zr、Nb、Mo、W、Ta中任意五種與Si粉體為原料，加入石墨烯納米片，先將原料球磨混合得到混合粉體，進行SPS燒結，該方法燒結效率高，能實現較低溫度下高熵硅化物的致密燒結。

本發明的再一目的在于提供上述石墨烯增韌的高熵硅化物陶瓷的應用。

本發明的目的通過下述技術方案來實現：

一種石墨烯增韌的高熵硅化物陶瓷，所述高熵硅化物陶瓷是將微米級高純度的Ti、Zr、Nb、Mo、W、Ta中的任意五種與Si粉體混合，加入石墨烯納米片，經球磨得到混合粉體，在保護氣氛下，施加壓力10～30MPa，在900～1300℃進行SPS燒結，自然冷卻制得；其中，所述Ti、Zr、Nb、Mo、W、Ta中任意五種的總摩爾與Si的摩爾比為1：2；所述Ti、Zr、Nb、Mo、W、Ta中的任意五種為相同摩爾。