[发明专利]层状化合物板状晶粒弥散增强的过渡金属碳化物复相材料及其超低温制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种层状化合物板状晶粒弥散增强的过渡金属碳化物复相材料及其超低温制备方法，具体涉及一种基于有液相存在的原位合成反应在较低温度下制备过渡金属碳化物-层状化合物复相材料的方法，属于非氧化物复相陶瓷材料制备技术领域。 

背景技术

核能源作为一种新兴能源，在近几十年来得到了国内外的广泛研究与应用。1999年6月召开的美国核学年会上，美国、法国、英国、日本等国家提出了四代核能系统的设想。四代核能技术是指待开发的核能技术，能很好的解决核能的经济性、安全性，也可以改善核废物处理和核扩散的问题【马栩泉,核能开发与应用,化学工业出版社，2005】。过渡金属碳化物MC（M=Ti,Zr,Hf，Ta）以其高熔点、不发生固态相变，而且具有相对较好的抗热震性能、较高的高温强度等一系列优异性能而成为四代核能系统采用的惰性基体燃料（IMF）的重要候选材料【“Gen IV Nuclear Energy Systems”,FY-04Annual Report，2004】。而同时，四代核能系统也对其采用的IMF提出了较高的要求：一是IMF在温和温度下的致密化，一般来说，烧结致密化温度要控制在1600℃以下；二是IMF材料的强韧化。上述问题的存在为IMF的研制带来了巨大障碍，导致关于低温烧结、高力学性能的IMF材料的文献报道至今基本属于空白。 

根据泰曼规律，陶瓷材料的烧结温度一般为其熔点的70~80%，而IMF的候选材料TiC,ZrC等的熔点都超过3000℃。利用商业粉体并结合常规的烧结工艺很难将其烧结温度降低到1600℃以下。但针对IMF高服役温度、强辐照和强热冲击等极端的使用环境，只有以TiC,ZrC为代表的一系列先进结构陶瓷材料才能满足要求，同时这也是先进结构陶瓷按照国家的战略需求在能源领域应用的一个重要突破口，对结构陶瓷材料在新世纪的发展有重要的指导意义。因此，在低于1600℃的温度下烧结致密化过渡金属碳化物陶瓷材料成为了一个崭新的研究方向。通常，在陶瓷材料中复合弥散相可以促进其在温和温度下的致密化并使其强韧化，例如中国专利CN100355695C公开一种碳化铬与碳氮化钛颗粒弥散强韧化氧化铝基陶瓷复合材料，中国专利CN100336929C公开一种原位生成碳化钛弥散强化铜基复合材料的制备方法，但是关于弥散增强的过渡金属碳化物复相材料还鲜有报道。 

发明内容

针对现有技术所存在的上述问题，本发明依据在脆性、低强度的碳化物陶瓷中引入层状化合物纳米板状晶粒弥散增强的材料设计思想，目的是提供一种层状化合物板状晶粒弥散增强的过渡金属碳化物复相材料及其超低温制备方法，以满足过渡金属碳化物复相材料在核能系统惰性基体燃料中的应用要求。 

在此，一方面，本发明提供一种层状化合物板状晶粒弥散增强的过渡金属碳化物复相材料，所述复相材料包括：作为主相的过渡金属碳化物MC；和作为弥散相且以板状晶粒弥散分布并紧密地与所述过渡金属碳化物结合实现桥联的层状化合物M_(x+1)AC_x，其中M_(x+1)AC_x由所述过渡金属碳化物MC与过渡金属M以及IIIA或IVA族元素单质A原位合成所得，式中x=1或2。 

在本发明中，过渡金属M是Ti、Zr、Hf和Ta中的任意一种；IIIA或IVA族元素单质A是Si、Al、Ga、Ge、In、Sn和Pb中的任意一种。 

所述层状化合物M_(x+1)AC_x在所述复相材料中的摩尔百分比优选为1%～50%，更优选为10%～30%。 

所述过渡金属碳化物MC与过渡金属M以及IIIA或IVA族元素单质A原位反应生成的层状化合物M_(x+1)AC_x能有效细化所述过渡金属碳化物晶粒，以及原位合成反应形成的各物相间的紧密结合，从而使本发明所得到的复相材料的力学性能、热导性能以及其它多项性能都得到了提高。本发明的所述复相材料的相对密度在98%以上，弯曲强度在600MPa以上。 

另一方面，本发明还提供所述层状化合物板状晶粒弥散增强的过渡金属碳化物复相材料的制备方法，所述方法是以过渡金属碳化物、过渡金属及IIIA或IVA族元素单质为原料进行球磨混合均匀制得混合粉体；以及将所述混合粉体在一定的烧结温度下进行反应热压烧结或反应放电等离子体烧结制得所述复相材料，其中所述过渡金属为所述过渡金属碳化物中的过渡金属元素的单质。