[发明专利]一种石墨烯增韧的高熵硅化物陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明属于高熵陶瓷材料领域，公开了一种石墨烯增韧的高熵硅化物陶瓷及其制备方法和应用。该高熵硅化物陶瓷是将Ti、Zr、Nb、Mo、W、Ta中的任意五种金属与Si粉体混合，加入石墨烯纳米片，经球磨得到混合粉体，在保护气氛下，施加压力10～30MPa，在900～1300℃进行SPS烧结，自然冷却制得；其中，所述任意五种金属的总摩尔与Si的摩尔比为1：2；所述任意五种金属为相同摩尔。本发明通过加入少量石墨烯纳米板实现对高熵硅化物陶瓷的增韧，提高其断裂韧性与抗弯性能，并消耗原料或制备过程中引入的氧元素，提高材料的烧结致密度。制得的陶瓷可广泛应用于各种高温场合下的隔热零件、保护外壳或结构复杂的结构件。

技术领域

本发明属于高熵陶瓷材料技术领域，更具体地，涉及一种石墨烯增韧的高熵硅化物陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

高熵概念源自近十几年来对高熵合金的研究，借助反应物在制备过程中的高熵效应，制备出了性能优异、微观结构稳定的合金材料。随着制备工艺的发展，高熵理论渐渐应用到了非金属化合物的制备领域，诞生了“高熵陶瓷”材料。

高熵陶瓷化学式表示为(A_0.2B_0.2C_0.2D_0.2E_0.2)F_n，其中ABCDE为金属元素，它们的摩尔量相等，F为陶瓷材料的体系，目前常见的体系有碳、硼等等；材料的微观体结构大多为为密排六方结构，具有优异的力学性能与化学稳定性，在高温的应用场合下力学性能和化学性质均十分稳定。

目前，高熵陶瓷的研究中，高熵硅化物陶瓷的成功制备为高熵陶瓷体系的研究展开了新的篇章；基于硅、钼化合物(MoSi₂)制备的(Ti_0.2Zr_0.2Nb_0.2Mo_0.2W_0.2)Si₂与(Ti_0.2Ta_0.2Nb_0.2Mo_0.2W_0.2)Si₂高熵陶瓷呈现密排的六方结构，硬度大，耐高温，抗氧化，并且导热率为6.9±1.1Wm^-1 K^-1，仅为MoSi₂的十分之一，在高温冶金、发动机结构件、绝热件等领域有宽阔的应用前景。但该种材料在制备过程中容易引入氧元素，导致成品产生缺陷，致密度下降；同时成品材料韧性差，仅能制备形状简单的零部件，这大大制约了此类材料的进一步应用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种石墨烯增韧的高熵硅化物陶瓷。该高熵硅化物陶瓷利用加入的少量石墨烯纳米片实现对高熵硅化物陶瓷的增韧，提高其断裂韧性与抗弯性能，并消耗原料或制备过程中引入的氧元素，提高材料的烧结致密度。

本发明的另一目的在于提供上述石墨烯增韧的高熵硅化物陶瓷的制备方法。该方法以微米级高纯度的Ti、Zr、Nb、Mo、W、Ta中任意五种与Si粉体为原料，加入石墨烯纳米片，先将原料球磨混合得到混合粉体，进行SPS烧结，该方法烧结效率高，能实现较低温度下高熵硅化物的致密烧结。

本发明的再一目的在于提供上述石墨烯增韧的高熵硅化物陶瓷的应用。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种石墨烯增韧的高熵硅化物陶瓷，所述高熵硅化物陶瓷是将微米级高纯度的Ti、Zr、Nb、Mo、W、Ta中的任意五种与Si粉体混合，加入石墨烯纳米片，经球磨得到混合粉体，在保护气氛下，施加压力10～30MPa，在900～1300℃进行SPS烧结，自然冷却制得；其中，所述Ti、Zr、Nb、Mo、W、Ta中任意五种的总摩尔与Si的摩尔比为1：2；所述Ti、Zr、Nb、Mo、W、Ta中的任意五种为相同摩尔。