[发明专利]一种过渡金属二硼化物高熵陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种过渡金属二硼化物高熵陶瓷及其制备方法。主要涉及一种具有优异性能的的高熵陶瓷材料，属于高温结构陶瓷领域。将至少五IVB,VB和VIB族过渡金属硼化物粉末按照等摩尔比混合经过高能球磨、真空处理后被高熔点包裹材料封装预压后，在4~10 GPa，1000~1800℃的温压条件下烧结成二硼化物高熵陶瓷。本发明首次利用高温高压方法制备出了二硼化物高熵陶瓷，具有断裂韧性高、致密度高、硬度高、晶粒尺寸小和优异的抗氧化性等显著特点。本发明提供的方法具有成本低、对环境友好、原料易于获取、烧结工艺简单、产品性能好、成品率高等特点，便于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种过渡金属二硼化物高熵陶瓷，具体涉及一种高温结构材料过渡金属二硼化物高熵陶瓷及其制备方法及其制备方法，属于超高温结构陶瓷材料领域。

背景技术

超高温陶瓷（UHTCs）材料是一类具有3000℃以上的高熔点，并具有优良的高温抗氧化性、耐腐蚀性和抗热震性的过渡金属硼化物，碳化物，氮化物和氧化物。其中IVB,VB和VIB族过渡金属硼化物（TBMs）具有高熔点、高的硬度、优异的高温抗氧化性能，以及良好的导热性和导电性，是一种重要的用于制造高温发热元件的材料和航空航天用高温结构材料。但是目前由于单一相族过渡金属硼化的其低温脆性较大，低温氧化，抗蠕变能力差等缺点，限制了其工业应用。高熵合金（HEA），是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金。由于高熵合金具有优异的机械和物理性能，因此在材料科学及工程上相当受到重视。近年来提出的高熵金属二硼化物一一类高熵陶瓷（HEC）作为一种新型的高熵材料以及一类新的超高温陶瓷可通过复相协同制备增强其性能，复相协同作用有助于提高材料的综合力学性能。高熵陶瓷的特征在于阳离子位置中金属元素的原子无序，导致形成显著的晶格畸变。由于其独特的显微结构特征，使得高熵陶瓷具有高硬度，高强度，耐磨，耐腐蚀，高温热稳定性以及特殊的磁、电性能。目前制备高熵陶瓷的主要方法有：放电等离子烧结（SPS）(J.Gild, et al., Sci Rep, 2016, 6:37946; X.L. Y, et al., J. Am. Ceram. Soc.,2018, DOI: 10.1111/jace.15779; T.J. Harrington, et al., Acta Mater., 2018,DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.12.054)。本发明首次采用高温高压手段制备高致密度的高熵陶瓷块体材料。再次从实验上验证了高熵陶瓷晶格中会产生高混乱度的定向性共价键有利于提高材料的整体性能。本发明制备工艺简单，对环境友好，原料易于获取，有利于工业生产，并且具有高熔点、高强度、高硬度、高韧性和高抗氧化性，正在发展成为一种新型的超高温结构陶瓷材料，可以作为飞机发动机耐高温部件的候选材料，在极端条件下具有很大的应用潜力，同时因其具有比商用碳化钨的硬度亦可发展为一种新型的硬质合金。

发明内容

本发明目的在于提供一种过渡金属二硼化物高熵陶瓷及其制备方法。解决传统制备方法制备的样品韧性低、抗氧化性差、硬度差和难以致密等问题。该陶瓷的成分复杂，至少有五种过渡金属元素。本发明采用国产链铰式六面顶大腔体压机作为烧结设备。本发明提供的过渡金属二硼化物高熵陶瓷具有致密度高、晶粒尺寸小、硬度高、断裂韧性高和抗氧化性优良等显著特点。本发明提供的过渡金属二硼化物高熵陶瓷烧结体断裂韧性达7.8MPa m^1/2，维氏硬度可达28 GPa，致密度高达99.6%。

本发明提供的过渡金属二硼化物高熵陶瓷及制备方法主要包括以下步骤:

第一步：将初始按照等比例进行混合，形成多元混合粉末；

第二步：把多元混合粉末进行高能球磨，然后进行酸洗；

第三步：把酸洗之后的混合粉末进行高温真空处理，并用高熔点包裹材料封装、预压成圆柱体；

第四步：将预压成的圆柱体放入高压合成组装体中，将组装好的高压合成组装体置于合成腔中进行高温高压烧结；