[发明专利]一种ZrHfTaNbTiC超高温高熵陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种ZrHfTaNbTiC超高温高熵陶瓷材料及其制备方法，该ZrHfTaNbTiC超高温高熵陶瓷材料由Zr、Hf、Ta、Nb、Ti和C元素组成，为单一岩盐相结构。本发明采用热压烧结技术制备了ZrHfTaNbTiC超高温高熵陶瓷材料，制备的ZrHfTaNbTiC超高温高熵陶瓷材料致密度高，组分调控空间大，组织均匀，具有优异的力学性能，陶瓷材料的硬度高达38.52~41.25 GPa。本发明方法制备过程工艺简单，高效快速，合成温度低（1700~1900℃），外加压力小（20~30 MPa），能耗低，安全环保，具有可重复性和可靠性高等突出特点，可应用于工业生产。

技术领域

本发明属于超高温材料及其制备技术领域，具体涉及一种ZrHfTaNbTiC超高温高熵陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

多主元高熵材料是一种采用熵稳定理念制备的材料，多主元高熵材料一般含有5种或5种以上元素热力学混乱分布在材料体系中，且每种元素含量在5％～35％。多主元引起的高熵效应能有效提升材料的热力学稳定性，降低材料烧结温度，有利于形成简单的晶相，同时赋予材料丰富的性能调节空间。此外，多主元设计带来的固溶强化机制能显著提升材料的力学性能。然而，目前国内外关于高熵陶瓷材料的报道较少。

超高温陶瓷材料主要包括一些过渡族金属的难熔碳化物、硼化物、氮化物及其相应的固溶体，具有熔点高、热稳定性好、抗热冲击性能优异、抗氧化耐烧蚀性能良好等诸多优良性能，成为制备航空航天领域新型高温材料结构件最有前途的候选材料之一。但由于该材料的制备条件苛刻，如通常需要2000℃以上的高温以及50MPa以上的高压下制备，且制备的材料力学性能不理想。

文献“Cedillos-Barraza O,Grasso S,Al Nasiri N,et al.Sinteringbehaviour,solid solution formation and characterisation of TaC,HfC and TaC–HfC fabricated by spark plasma sintering[J].Journal of the European CeramicSociety,2016,36(7):1539-1548.”介绍了一种采用放电等离子烧结技术制备HfTaC固溶体陶瓷材料的方法，该方法以HfC、TaC粉体为原料，经球磨后在高温下烧结并制得不同元素配比的固溶体陶瓷材料。该方法不仅制备温度高(2350℃)、所需压力大(32-55MPa)，而且制备材料力学性能不理想，如固溶材料最高硬度仅有20.4GPa。

发明内容

为克服现有技术制备的超高温陶瓷材料存在制备温度高、所需压力大、材料力学性能差等难题，本发明提出采用热压烧结技术制备一种ZrHfTaNbTiC超高温高熵陶瓷材料及其方法，该方法以ZrC、HfC、TaC、NbC和TiC微米级粉体为原料，通过热压烧结技术成功制备出单相ZrHfTaNbTiC高熵陶瓷，该方法工艺简单、可重复性高、烧结温度低(1700～1900℃)、所需外加压力小(20～30MPa)，制备的ZrHfTaNbTiC高熵陶瓷为单一岩盐相结构，成分均匀，热力学稳定，具有较宽的元素配比调节空间以及良好的力学性能，其硬度高达38.52～41.25GPa。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种ZrHfTaNbTiC超高温高熵陶瓷材料，所述ZrHfTaNbTiC超高温高熵陶瓷材料为单一的岩盐相结构，原子百分比表达式为Zr_x1Hf_x2Ta_x3Nb_x4Ti_x5C，其中x1、x2、x3、x4、x5为5％-35％之间的数值，且x1+x2+x3+x4+x5＝1。

以上所述的一种ZrHfTaNbTiC超高温高熵陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将ZrC、HfC、TaC、NbC和TiC粉料配成混合粉料；