[发明专利]一种缺碳型高熵过渡金属碳化物陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种缺碳型高熵过渡金属碳化物陶瓷材料及其制备方法。该方法包括：将五种过渡金属氧化物与炭黑或石墨共混，干燥，以无压炉在真空状态下热处理，冷却，得到单相高熵碳化物；然后与金属单质或不同金属单质的混合物共混，干燥，放电等离子烧结。该方法工艺简单、可操控性强、容易实现规模化等优点；制备得到的缺碳型高熵碳化物陶瓷内部存在大量碳空位和高熵化带来的晶格畸变，有利于进一步降低材料的热导率。

技术领域

本发明属于高熵过渡金属碳化物陶瓷材料及其制备领域，特别涉及一种缺碳型高熵过渡金属碳化物陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着高熵合金的发展，由其发展而来的高熵陶瓷材料也不断发展。其中高熵过渡金属碳化物不仅具有与二元碳化物一致的高硬度(～20GPa)、耐高温、抗烧蚀等特点，还具有比二元碳化物更优异的抗氧化性能、耐摩擦等优异的性能。与二元碳化物相比，高熵碳化物材料由于固溶产生的严重的晶格畸变效应，增大了材料晶格内的缺陷，导致在传热过程中声子散射的程度加重，因此高熵碳化物陶瓷的热导率要远小于二元碳化物陶瓷材料[Yan,Xueliang,et al.(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C high-entropy ceramics withlow thermal conductivity.Journal of the American Ceramic Society 101.10(2018):4486-4491.]。这一特殊的低热导率性能有望在航空、汽车等的隔热结构材料领域有着广阔的应用前景。

TiC、ZrC、HfC、NbC等碳化物均具有较宽的非化学计量成分范围，其C/Zr的摩尔比可在较宽的范围之间变化。如ZrC_0.61-ZrC_1.0，在该成分范围内，尽管缺碳型ZrC_1-x中存在大量碳空位，但其仍可以保持着与化学计量比ZrC_1.0一样的面心立方晶体结构。研究发现，非化学计量比的缺碳型碳化物陶瓷材料的热导率要小于化学计量比碳化物陶瓷材料，且碳含量越低，材料的热导率越低[Wei,Boxin,et al.Densification,mechanical and thermalproperties of ZrC1-x ceramics fabricated by two-step reactive hot pressing ofZrC and ZrH2 powders.Journal of the European Ceramic Society 38.2(2018):411-419.]。如在相同温度下，ZrC_1-x的热导率要小于ZrC，HfC_0.67的热导率小于HfC_0.98。研究表明，通过将一定比例的过渡金属碳化物粉末与相应的金属粉末共混后烧结，即可以得到特定非化学计量比的缺碳型过渡金属碳化物陶瓷[Wang,Xin-Gang,et al.Journal of theEuropean Ceramic Society 31.6(2011):1103-1111.]。

晶格缺陷通过增大传热过程中的声子散射来降低材料的热导率。高熵化可以有效增大固溶引起的晶格畸变；相比计量比过渡金属碳化物，缺碳碳化物可以增大晶格中的碳空位，降低材料的热导率。由此可见，高熵化和缺碳均可以向体系中引入晶格缺陷，降低材料的热导率。因此通过制备缺碳型高熵过渡金属碳化物陶瓷材料，可以在高熵碳化物陶瓷材料的基础进一步降低材料的热导率，提高材料的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种缺碳型高熵过渡金属碳化物陶瓷材料及其制备方法，以克服现有技术中高熵碳化物陶瓷热导率高的缺陷。