[發明專利]一種超高孔隙率鉿鉭鈮三元碳化物超高溫隔熱材料及制備方法

有效

• 申請號: 202110073086.0
• 申請日: 2021-01-20
• 公開（公告）號: CN112830810B
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 王京陽;吳貞;梁顯鵬;邵卓杰;孫魯超
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C04B38/10
• 分類號: C04B38/10;C04B38/00;C04B35/56
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明涉及超高溫隔熱材料領域，具體為一種超高孔隙率鉿鉭鈮三元碳化物超高溫隔熱材料及制備方法。(Hf_xTa_yNb_1?x?y)C三元碳化物中，x、y的取值范圍為：0x1，0y1，x+y1。以碳化鉿、碳化鉭和碳化鈮粉末為原料，以水為分散介質配制陶瓷漿料，然后加熱漿料、加入發泡劑并快速攪拌發泡，隨后進行注模和冰凍形成坯體，接著真空干燥、坯體脫模和烘箱干燥，最后分別在管式爐和高溫碳管爐中進行燒結，制備出具有超高孔隙率(80％～96％)、輕質、低熱導率、高強度和耐超高溫(2000℃)的多孔鉿鉭鈮三元碳化物超高溫隔熱材料。本發明成本低廉、工藝簡單，適合工業化生產，在航天航空超高溫熱防護領域的應用前景非常廣闊。

技術領域

本發明涉及超高溫隔熱材料領域，具體為一種超高孔隙率(80％～96％)和耐超高溫(2000℃)的鉿鉭鈮三元碳化物多孔陶瓷隔熱材料及制備方法。

背景技術

隨著航天航空領域科學與技術的快速發展，超高聲速飛行器的飛行速度越來越快，伴隨產生的氣動加熱效應愈加顯著，可將飛行器的關鍵部位溫度升至超高溫范圍(2000℃)。因此，對氣動熱的高效熱防護是發展高超聲速飛行器的關鍵技術之一。面對超高溫隔熱的需求，目前常規可耐溫至1500℃的纖維類隔熱瓦已不能可靠服役，急需發展耐超高溫的新型隔熱材料。

超高溫陶瓷熔點超過3000℃，且在極端環境中能保持穩定的物理和化學性質，主要包括過渡金屬的氮化物、硼化物及碳化物。它們具有高強度、耐高溫、抗燒蝕的性能優點，可在超高溫下長時間保持飛行器結構外形的完整與穩定(W.G.Fahrenholtz,et al.,Scr.Mater.(材料快報).2016(129):94-99)。因此，多孔超高溫陶瓷隔熱材料被認為是解決當前超高溫隔熱的有效途徑之一，將支撐新一代高超聲速飛行器的快速發展。目前，絕大多數多孔超高溫陶瓷的制備集中于ZrB₂、ZrC多孔陶瓷和ZrB₂-SiC、ZrC-SiC多孔復合材料，存在的主要問題包括：一、多孔材料的孔隙率低(65％～90％)；二、熱導率偏高；三、強度低。如：85％孔隙率的ZrC多孔陶瓷的熱導率和壓縮強度為0.94W/(m·K)和0.4MPa；孔隙率為74.3％～81.6％的ZrB₂/ZrC/SiC多孔陶瓷的強度僅為1.9～1.2MPa(F.Li,et al.,J.Eur.Ceram.Soc.(歐洲陶瓷學會會刊).2014,34(15):3513-3520)。

為解決超高溫隔熱領域目前存在的問題，本發明采用可實現多孔陶瓷超高孔隙率(90％)的發泡-注凝-冷凍干燥技術進行材料的制備，然后選取超高溫陶瓷中熔點最高的碳化鉿(3890℃)、碳化鉭(3880℃)，以及碳化物超高溫陶瓷中熱導率最低的碳化鈮(6.3W/(m·K)，其它碳化物熱導率30W/(m·K))為原料，并通過固溶的辦法降低材料的熱導率和增強力學性能，發展出具有耐超高溫、抗燒蝕、超高孔隙率、低熱導率和高強度的超高溫熱防護材料。

發明內容

本發明的目的在于提供一種超高孔隙率鉿鉭鈮三元碳化物超高溫隔熱材料及制備方法，通過新型的發泡-注凝-冷凍干燥工藝制備具有超高孔隙率、耐超高溫、低熱導率和高強度的(Hf_xTa_yNb_1-x-y)C多孔陶瓷超高溫熱防護材料，并且材料的外觀形狀規則完整，干燥和燒結收縮率小，可實現近凈尺寸成型。

本發明的技術方案如下：

一種超高孔隙率鉿鉭鈮三元碳化物超高溫隔熱材料，按摩爾比計，鉿鉭鈮三元碳化物的化學式為(Hf_xTa_yNb_1-x-y)C，x、y的取值范圍為：0x1，0y1，x+y1，(Hf_xTa_yNb_1-x-y)C三元碳化物的孔隙率為80％～96％，密度為0.45～2.35g/cm³，熱導率為0.085～0.65W/(m·K)，壓縮強度為0.15～10MPa，并且耐熱溫度高于2000℃。