[发明专利]一种二氧化锆-铌耐高温层状复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷-金属层状复合材料制备技术领域，涉及到一种二氧化锆-铌耐高温层状复合材料的制备工艺。

背景技术

随着航空航天工业的发展，对航天飞行器耐高温零部件的要求越来越苛刻，这些要求主要包括：高强度、高刚度、良好的耐高温性、低温韧性和轻质等。现有的耐高温材料一般是镍（Ni）基材料，但Ni基材料能耐最高温度小于1500℃，若工作温度要求更高，则满足不了需要，必须研究开发新的材料满足。

铌（Nb）金属本身具有熔点高（2467℃）、密度小、低温延展性好和高温强度好的特点，由其制备的Nb基材料耐高温性优于Ni基材料，具有作为高温材料的潜力。二氧化锆（ZrO₂）为一种高温陶瓷，熔点高达2680℃，具有热导率低、热稳定性好、高温蠕变小和高温结构强度高等优点，如果能将二者层状复合起来制备出层状复合材料，那么就可以兼具二种材料的优势，具有很好的耐高温性。

目前制备二氧化锆-铌复合材料的方法主要为将Nb、ZrO₂粉末进行机械合金化，然后进行压膜并烧结，从而制备出复合材料，但这种复合材料并不是层状复合材料。要制备二氧化锆-铌层耐高温状复合材料可首先在铌金属表面制备二氧化锆薄膜，最后铌、二氧化锆共同进行高温烧结就可制备出二氧化锆-铌耐高温层状复合材料。

目前，二氧化锆薄膜的制备方法主要有化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（PVD）、电泳沉积法（CVD）、溅射法、电子束蒸发镀膜法、流延成型法和等离子喷涂法等。其中，化学气相沉积缺点是反应温度较高，反应过程中存在腐蚀性气体（如卤素化合物），沉积率相对较低；PVD是CVD的一种改进形式，这种方法存在制膜设备复杂、成本高、反应生成的氧气腐蚀性大等缺点；电泳沉积法的缺点是电流通过电极时引起电化学反应（如水的电解、电镀反应、水的电渗等）使沉积的效率降低，沉降物不均匀；溅射法在高真空下制备薄膜，成本较高；电子束蒸发镀膜法不适用于难熔金属和耐高温的介质材料；流延成型法在制造大面积薄膜时，浆料中含有大量添加剂，在烧结过程中容易起翘和开裂；最后，等离子喷涂法(Plasma spray)制备的薄膜不致密、裂缝较多。

溶胶凝胶法也是二氧化锆薄膜的一种制备方法，通过其可制得组成均匀、相纯度高的氧化钇稳定二氧化锆膜，具有低温化学过程、成分容易控制、工艺简单、操作方便和不需要昂贵的没备等优点。采用溶胶凝胶提拉法在锆离子注入后的铌基体上制备氧化锆膜，通过分级干燥、预处理，可以在铌基体上获得均匀、无裂纹的二氧化锆薄膜层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化锆-铌耐高温层状复合材料的制备方法：铌金属基体经过去油、酸洗和超声清洗后，采用金属离子注入工艺将锆金属离子注入到铌金属基体中，随后在铌金属基体表面采用溶胶凝胶法提拉二氧化锆薄膜，通过分级干燥和预热处理，高温退火烧结，在基体上形成二氧化锆陶瓷层，最终获得了二氧化锆-铌耐高温层状复合材料。

本发明提供一种二氧化锆-铌耐高温层状复合材料的制备方法，其制备工艺主要包括铌金属试片的前处理、离子注入、溶胶凝胶提拉法制备二氧化锆膜、分级干燥处理、预热处理和高温退火烧结。具体步骤如下：

步骤一、铌片的前处理：包括了纯铌金属试片的打磨、去油处理、水洗、用硝酸和HF酸配制的酸溶液刻蚀以及超声水洗等。去油处理可去掉铌金属试片的表面油污。刻蚀处理可增加基体表面的粗糙度和表面积，改善表面状态，有利于后续的拉膜工艺。刻蚀后要经过反复的清水冲洗，并用去离子水超声清洗，超声清洗结束后晾干待用。

步骤二、锆离子注入：在强流金属离子注入机上将锆离子注入经过步骤一处理的铌片中，然后，在强流金属离子注入机的真空室中放置16小时后取出；

步骤三、配置锆盐的溶胶凝胶溶液，所述锆盐的溶胶凝胶溶液的配方如下：

步骤四、拉膜：将经过步骤二锆离子注入后的铌片作为基体，采用步骤三配置的锆盐的溶胶凝胶溶液在垂直拉膜机上用提拉法在基体上提拉两层二氧化锆膜，每提拉一层二氧化锆膜后进行分级干燥和预热处理，分级干燥的温度分别为30℃和60℃，时间均为30min，然后在空气中进行预热处理，温度为300℃，时间为2h；

步骤五、高温烧结：将步骤四得到的样品以5℃/min的升温速率升高至500℃，在500℃下保温20min，然后以250℃/h的升温速率上升到1450℃，在1450℃下保温1h，保温结束后随炉冷却，从而获得二氧化锆-铌耐高温层状复合材料。