[發(fā)明專利]一種難熔金屬碳化物固溶體粉末的低溫制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110314946.5
• 申請(qǐng)日: 2021-03-24
• 公開（公告）號(hào): CN112875704B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張國(guó)華;吳柯漢
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/90
• 分類號(hào): C01B32/90
• 代理公司: 北京金智普華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11401
• 代理人: 朱艷華

本發(fā)明涉及高溫陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種難熔金屬碳化物固溶體粉末的低溫制備方法，用Ca、Al熔體或Ca?Al熔體作為熔劑，和金屬碳化物混合，在800～1400℃的溫度下保溫2～12小時(shí),經(jīng)酸浸后獲得難熔金屬碳化物固溶體粉末。本發(fā)明的有益效果：采用金屬熔體作為熔劑，液相的金屬熔體可作為碳化物之間的擴(kuò)散通道，大大提高反應(yīng)速率，同時(shí)液相環(huán)境有利于產(chǎn)品成分分布均勻，使得低溫下也能制備單相難熔金屬碳化物固溶體；本發(fā)明所需溫度遠(yuǎn)低于高溫固溶法，對(duì)設(shè)備要求低，能耗小,易于工業(yè)化生產(chǎn)；相比于碳熱還原法，本發(fā)明所需溫度更低，且不存在產(chǎn)品物相不均勻的問題；由于單質(zhì)鈣、鋁具有強(qiáng)脫氧能力，可進(jìn)一步提高產(chǎn)品純度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高溫陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種難熔金屬碳化物固溶體粉末的低溫制備方法。

背景技術(shù)

難熔碳化物是一種由碳原子進(jìn)入難熔金屬晶格間質(zhì)點(diǎn)形成的金屬間化合物，同時(shí)具有共價(jià)固體、離子晶體和難熔金屬的特性，被廣泛應(yīng)用于鉆頭工具、采礦作業(yè)及高溫部件領(lǐng)域。由于TiC、ZrC、HfC、VC、NbC、TaC、CrC、MoC、WC等難熔碳化物具有相同的NaCl型面心立方晶系，在高溫下可相互固溶形成單相的難熔金屬碳化物固溶體，如二元碳化物HfxTa1-xC、三元碳化物(Ti,Zr,Nb)C、高熵碳化物(Ti,Zr,Hf,Nb,Ta)C、(Zr,Hf,Nb,Ta,Mo)C等。

這種多元碳化物是近年來新發(fā)現(xiàn)的一種碳化物，具有優(yōu)異的硬度、高熔點(diǎn)、良好的耐磨性和良好的生物相容性，在超高溫、生物醫(yī)學(xué)和能源領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，極大地豐富了難熔碳化物陶瓷體系。HfxTa1-xC由于熔點(diǎn)高于HfC或TaC，引起了研究者們的廣泛關(guān)注。據(jù)報(bào)道，Ta4HfC₅熔點(diǎn)在已知碳化物中最高，高達(dá)4215℃，已被用于航空和軍事工業(yè)。TiZrHfNbTaC₅由于具有優(yōu)良的生物相容性，成功在醫(yī)學(xué)上被作為金屬植入物所使用。

目前過渡族金屬碳化物的主流合成技術(shù)為高溫固溶法。高溫固溶法通過直接加熱對(duì)應(yīng)碳化物的混合粉或者對(duì)應(yīng)元素的單質(zhì)混合粉形成固溶體來制備HEC陶瓷。該工藝形依靠高溫下碳化物互相之間緩慢的固體擴(kuò)散形成固溶體，所需溫度往往高于2200℃，對(duì)設(shè)備要求高，時(shí)間長(zhǎng)，能耗大，且原料不容易混合均勻,產(chǎn)物粉體粒徑粗大。部分研究者對(duì)此工藝進(jìn)行了改進(jìn)，提出了碳熱還原法，如公開號(hào)為CN201910411748.3的專利所公開的方法是：采用TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Nb₂O₅、WO₃、Ta₂O₅和碳黑為原料，直接高溫碳熱還原反應(yīng)制備得到(Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2Nb_0.1W_0.1Ta_0.2)C固溶體。該工藝所需溫度略低，在1800℃之上即可進(jìn)行，但該溫度仍然較高，同樣存在原料難以混合均勻的問題，且制備的產(chǎn)品氧含量較高，游離碳含量難以控制。如文獻(xiàn)(Li F,Lu Y,Wang X G,et al.Liquid precursor-derived high-entropy carbide nanopowders[J].Ceramics International,2019,45(17):22437-22441.)所提出的液相前驅(qū)體法是：采用難熔金屬鹵化物和糠醇得到液相前驅(qū)體,首先在1400℃真空下經(jīng)碳熱還原，然后在2000℃下固溶處理獲得(Ti_0.2Zr_0.2Hf_0.2Nb_0.2Ta_0.2)C固溶體。該工藝解決了均勻性的問題，但所需溫度仍然較高，游離碳難以控制。同時(shí)，該方法的生產(chǎn)規(guī)模小，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，且工藝中氯化物的排放還會(huì)帶來環(huán)境污染的問題。

發(fā)明內(nèi)容