[发明专利]一种原位合成惰性玻璃相包覆的ZrB2

说明书

本发明属于超高温材料领域，具体涉及一种原位合成惰性玻璃相包覆的ZrB₂及其制备方法。本发明通过在起始粉末中添加低于ZrB₂合成温度的高稳定氟化物MF_x，使得在高温烧结原位合成ZrB₂同时，抑制B₂O₃挥发，提高了ZrB₂粉体纯度；利用MF_x这一化学惰性物质的稳定性，及其熔点低于该反应合成温度且不易于反应物发生反应的特性，在高温条件下合成ZrB₂的同时使MF_x产生的液态玻璃相包覆在生成物ZrB₂的表面，以隔绝氧气与ZrB₂颗粒的直接接触，提高其高温抗氧化性，使得在各温度段均可实现抗氧化。本发明提供的ZrB₂@MF_x材料，在各温度段均可实现抗氧化，使得ZrB₂超高温陶瓷在航空航天领域有更加广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于超高温材料领域，具体涉及一种原位合成惰性玻璃相包覆的ZrB₂及其制备方法。

背景技术

超高温陶瓷(UHTCs)在航空航天领域应用广泛，因其良好的耐高温抗氧化性能，可用作超高速飞行器表面的热防护材料，同时对这些材料提出了更高的要求，例如用作超高速飞行器的鼻锥、发动机叶片、必须具有耐高温、高强度、抗氧化、低密度等特点，当飞行器飞行速度超过10马赫时，这些部位的温度达到2500℃以上。特别是近些年来通过对超高温陶瓷材料进行了一些技术的改进以提高在超高温条件下的抗氧化性能。

目前这种有望在1500℃以上甚至2000℃以上的高温环境中工作的热防护材料称为超高温材料，其中包括一些高温金属与合金，金属间化合物和超高温陶瓷。这几类材料已经成为国内外的科学家们在超高温陶瓷领域的重点研究对象。超高温陶瓷材料在2000℃以上苛刻环境中是最有前途的材料，ZrB₂作为硼化物的一种，因其具有高熔点、高硬度、高热导率和电导率，适合作为飞行器的热防护材料，因此成为超高温陶瓷领域最具有潜力的候选材料，在航空航天领域有着广泛的应用前景。

为了提高ZrB₂的抗氧化性能，目前研究较多且较为成熟的方法是通过添加一定的烧结助剂来改善ZrB₂的抗氧化性，如添加SiC、MoSi₂、WC等。如Ning L I,等[Effects ofoxygen partial pressure and atomic oxygen on the microstructure of oxidescale of ZrB₂-SiC composites at 1500℃[J].Corrosion Science,2013,73(73):44-53.]报道的以SiC为原料通过添加20vol％的 SiC。在高温环境中，ZrB₂涂层开始逐渐发生氧化，在1200℃的高温条件下ZrB₂开始与掺入的SiC发生化学反应，其表面生成一层致密的SiO₂玻璃相包覆在ZrB₂表面以隔绝空气中的氧扩散进入其内部阻止其进一步氧化，从而达到提升抗氧化性能的目的。但是SiC掺杂只在1200℃以上起作用，在温度低于1200℃时难以起到抗氧化的作用；因此急需探索出一条有效的合成途径，使ZrB₂在温度低于在1200℃的条件下不易于被氧化，以满足ZrB₂超高温陶瓷在不同温度段的使用需求。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有ZrB₂不能满足在各温度段使用需求的技术问题。本发明提供了一种原位合成惰性玻璃相包覆的ZrB₂及其制备方法。该方法工艺简单，容易控制，利用碳热还原法在高温合成ZrB₂的过程中，将MF_x在熔融状态下产生的惰性液态玻璃相直接包覆在生成物ZrB₂表面，以隔绝空气中的氧扩散进入其内部从而提升生成物的抗氧化性能，提高其热稳定性。