[發明專利]一種高強高韌耐超高溫金屬陶瓷的制備方法

在審

• 申請號: 202110036538.8
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112874042A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 余藝平;肖鵬;王松
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: B32B9/00
• 分類號: B32B9/00;B32B9/04;B32B15/00;B32B37/06;B32B37/10;B32B37/24
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

本發明公開一種高強高韌耐超高溫金屬陶瓷的制備方法，該制備方法包括設計層狀結構、按設計的層狀結構鋪填陶瓷粉體和難熔金屬、生坯壓制和高溫燒結等步驟。本發明提供的制備方法選擇難熔金屬作為層狀增韌相，可以減弱層狀金屬陶瓷燒結過程中的應力集中，充分發揮難熔金屬自身和層狀結構的增韌效果，在增韌相體積分數很低的情況下也可獲得較好的韌性；此外，該制備方法工藝簡單、周期短、環境友好，且可針對不同的應用需求，通過調整兩相的排布得到不同性能的制品，工業化生產前景廣闊。

技術領域

本發明涉及復合材料制備技術領域，尤其是一種高強高韌耐超高溫金屬陶瓷的制備方法。

背景技術

當前，高超聲速飛行器已成為世界上各軍事大國競相搶占的技術高點。由于飛行速度非常快，高超聲速飛行器在大氣層再入以及大氣層內巡航飛行時，鼻錐、機翼前緣等尖銳部件需要承受嚴苛的熱力氧耦合條件考驗，對飛行器熱結構材料的力學性能、抗高溫氧化和抗燒蝕性能提出了極高的要求。傳統的C/C復合材料密度低、高溫強度優異，但抗氧化性能差，在有氧環境中400℃即開始氧化。難熔金屬加工成型簡單，抗熱震性能優異，但密度大，高溫下強度迅速降低。以上兩者均無法完全匹配未來更高飛行速度飛行器對輕質、高強、抗高溫氧化熱結構材料的需要。因此，亟待開發新型高強、高韌、耐超高溫的材料。

耐超高溫陶瓷是一些過渡族金屬的難熔硼化物、碳化物和氮化物，主要包括ZrB₂，HfB₂，TaC，HfC，ZrC，HfN等。由于熔點普遍在3000℃以上，且強度和模量高，熱導率、熱膨脹系數和抗氧化燒蝕性能適中，耐超高溫陶瓷具備在2000℃以上的氧化環境中實現長時間非燒蝕的潛力，是再入飛行器、大氣層內高超聲速飛行器的鼻錐、前緣以及發動機燃燒室的關鍵熱端部件的優異候選材料。但耐超高溫陶瓷最大的性能短板是韌性低，在大熱流密度沖擊下很容易崩裂，導致災難性破壞，這也極大的限制了其作為高溫結構材料應用。

而目前現有的耐超高溫陶瓷增韌方法制備工藝復雜，且制備獲得的產品無法兼顧高韌性和高比強度，使得增韌耐超高溫陶瓷陷入瓶頸。

發明內容

本發明提供一種高強高韌耐超高溫金屬陶瓷的制備方法，用于克服現有技術中增韌方法制備工藝復雜，且制備獲得的產品無法兼顧高韌性和高比強度等缺陷。

為實現上述目的，本發明提出一種高強高韌耐超高溫金屬陶瓷的制備方法，包括：

S1：設計耐超高溫金屬陶瓷的層狀結構，所述層狀結構包括陶瓷層和難熔金屬層為交替疊層排布，耐超高溫金屬陶瓷的上表面和下表面均為陶瓷層，以及陶瓷層和難熔金屬層的層數、層厚比；

S2：根據設計的層狀結構，在模具中鋪填一層陶瓷粉體，將所述陶瓷粉體壓制密實后，鋪填一層連續形態的難熔金屬；

S3：按設計的層狀結構，重復陶瓷粉體和難熔金屬的鋪填過程，直至滿足設計的層狀結構；

S4：將模具移至燒結設備中，抽真空、加載壓力、燒結；

S5：模具隨爐冷卻至室溫后，開爐、脫模，得到高強高韌耐超高溫金屬陶瓷。

與現有技術相比，本發明的有益效果有：

1、本發明提供的高強高韌耐超高溫金屬陶瓷的制備方法選擇與陶瓷基體物理和化學相容性好的難熔金屬作為層狀增韌相，可以減弱層狀金屬陶瓷燒結過程中的應力集中，充分發揮難熔金屬自身和層狀結構的增韌效果，在增韌相體積分數很低的情況下也可獲得較好的韌性。