[发明专利]Ta‑Zr‑C三元陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料技术领域，特别涉及一种Ta-Zr-C三元陶瓷及其制备方法。

背景技术

高超声速飞行器是当今航天领域高新技术发展前沿。当飞行器在极短时间按内加速至高超声速时，其热端部位会产生超过3000℃的高温，因此对材料的耐温性和抵抗烧蚀冲刷能力有极高的要求。然而，现有材料已经很难满足前述应用需求。在此背景下，开发耐高温、抗冲刷、耐烧蚀及能够长时间保持物理和化学稳定性的新型材料便成为国内外材料领域研究的热点。

耐超高温陶瓷（UHTC），尤其是难熔金属Zr、Hf、Ta的碳化物和硼化物（如ZrC、HfC、TaC、ZrB₂、HfB₂、TaB₂），具有3000℃以上高熔点、高热导率、高弹性模量，高硬度、在高温下保持高强度，是未来超高温领域最理想的热防护系统材料之一。在众多UHTCs中，碳化钽（TaC）的熔点高达3880℃，是唯一能在3000℃以上高温环境保持一定机械性能的材料。但TaC的硬度（12～16GPa）相对于其他耐超高温陶瓷（>20GPa）较低，常需要引入其他耐超高温陶瓷对其改性。碳化锆（ZrC）的熔点为3540℃，硬度高达25.6GPa，具有与TaC相同的面心立方晶体结构，可与TaC形成高熔点的Ta-Zr-C固溶体。可见，Ta-Zr-C三元陶瓷将结合TaC优异的耐温性能和ZrC突出的耐磨性能，是一种理想的耐高温、抗冲刷、耐烧蚀材料。

现有Ta-Zr-C三元陶瓷的制备工艺主要是热压烧结工艺，多以ZrC和TaC二元陶瓷粉体经高能球磨混合后热压烧结形成Ta-Zr-C单相固溶体。但由于TaC、ZrC陶瓷的强共价键结合，且熔点均在3500℃以上，导致了热压工艺温度高、难度大、后续加工复杂、不利于工业化生产，此外，球磨混合过程容易掺杂，引起污染。

碳热还原工艺因为工艺简单、原料成本低以及目标产物的成分可控等诸多优点，工业上常被用来制备ZrC、HfC及TaC等二元超高温陶瓷。申请号为200810031847.0的中国专利文献公开了以钨粉、氧化钛、氧化钽及碳黑直接固态混合后碳热还原合成碳化钨-碳化钛-碳化钽固溶体粉末的制备方法，所得产品粒度较大，且涉及的固相反应工艺易出现转化率不高和产物不纯等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种粒度小、组分均匀、纯度高的Ta-Zr-C三元陶瓷粉体，还提供一种工艺设备要求简单、温度要求低的Ta-Zr-C三元陶瓷的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种Ta-Zr-C三元陶瓷，所述Ta-Zr-C三元陶瓷为Ta-Zr-C连续单相固溶体陶瓷粉体。

上述的Ta-Zr-C三元陶瓷，所述Ta-Zr-C三元陶瓷的密度为6.80g/cm³～14.10g/cm³。

上述的Ta-Zr-C三元陶瓷，所述Ta-Zr-C三元陶瓷的粉末粒度≤0.5μm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的Ta-Zr-C三元陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）配制前驱体溶液：将金属无机盐混合物作为前驱体加入第一溶剂中，所述金属无机盐混合物为含Ta⁵⁺的无机盐和含Zr⁴⁺的无机盐，得到含钽锆前驱体溶液，将碳源前驱体加入第二溶剂中，经搅拌溶解，得到碳源前驱体溶液；

（2）制备溶胶：将步骤（1）所得含钽锆前驱体溶液和碳源前驱体溶液混合，持续搅拌形成溶胶；

（3）老化：将步骤（2）所得溶胶进行保温保压老化，所述老化的保温温度为60℃～250℃，所述老化的保压压力为0.5 MPa～10MPa，老化时间为5h～72h，得到湿凝胶；

（4）干燥：干燥步骤（3）所得湿凝胶，得到干凝胶；

（5）高温分段煅烧：将步骤（4）所得干凝胶进行高温分段煅烧，以2℃/min～8℃/min的升温速率升温至600℃～800℃，保温1h～5h，再以60℃/min～200℃/min的升温速率升温至1400℃～1800℃，保温1h～5h，最后随炉冷却，得到Ta-Zr-C三元陶瓷。