[发明专利]一种耐高温高强度(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种耐高温高强度(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷材料及其制备方法。所述(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷材料的化学组成为(Ti_xZr_yHf_z)C；其中，0.2≤x≤0.40，0.2≤y≤0.4，x+y+z=1。所得(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷纯度高（99.0%），相对密度高（≥97%），晶粒尺寸细小（0.2‑5μm），材料在25~1800°C具有较好的力学性能。

技术领域

本发明属于超高温陶瓷材料领域，具体涉及一种耐高温高强度(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

中熵陶瓷作为一种新的陶瓷材料以其独特的组成、微观结构和显著的性能成为陶瓷领域的研究热点。多组分固溶引起的熵增加效应能有效提升材料的热力学稳定性，降低材料烧结温度，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，中熵陶瓷带来的固溶强化机制能显著提升材料的力学性能。与传统陶瓷相比，中熵陶瓷具有更高的硬度、强度和韧性等力学性能，以及更好的耐蚀性、生物相容性和电化学性能，在超高温、生物医学和能源领域具有更大的发展潜力。中熵(Ti,Zr,Hf)C碳化物陶瓷是以Ti、Zr、Hf金属元素与C原子结合而成的中熵固溶体，为单相多元碳化物晶体，在超高温应用领域将会扮演着至关重要的角色。然而，目前国内外对于高强度(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷材料的制备及其在超高温领域的应用未见报导。

已有文献报道一种(Ta,Zr,Nb)C碳化物陶瓷的制备方法(D.Demirskyi,H.Borodianska,T.S.Suzuki,et al.High-temperature flexural strength performanceof ternary high-entropy carbide consolidated via spark plasma sintering ofTaC,ZrC and NbC[J].Scripta Materialia,2019,164:12～16)。该制备方法是以商业TaC，ZrC和NbC为原料，在1920℃下通过放电等离子体方法烧结制得。所得(Ta,Zr,Nb)C碳化物陶瓷在25～1600℃的三点抗弯强度为460～496MPa，1800℃的三点抗弯强度为366MPa。该陶瓷材料晶粒尺寸较大(平均晶粒尺度达12μm)、高温断口出现微裂纹、材料力学性能不理想，这些缺点也将限制其在航空、航天领域的应用。

对此，发明人认识到TiC、ZrC或HfC化合物在较宽的C/Ti(C/Zr或C/Hf)范围内存在：TiC_x(0.47≤x≤1)、ZrC_x(0.49≤x≤1)、HfC_x(0.49≤x≤1)。以商业TiC、ZrC或HfC陶瓷粉体为原料制备的中熵陶瓷，因碳化物原料粉体氧杂质在碳晶格空位的固溶会对材料的烧结、显微结构和高温力学性能带来不利的影响。发明人还认识到中熵陶瓷在原料粉体混合、制备过程中，常用高能球磨工艺中介质研磨球磨损带来的杂质也会对材料的高温力学性能带来不利的影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种耐高温高强度(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷材料及其制备方法，所得(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷纯度高(99.0％)，相对密度高(≥97％)，晶粒尺寸细小(0.2-5μm)，材料在25～1800℃具有较好的力学性能。

第一方面，本发明提供一种耐高温高强度(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷材料。所述(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷材料的化学组成为(Ti_xZr_yHf_z)C；其中，0.2≤x≤0.40，0.2≤y≤0.4，x+y+z＝1。本发明中的中熵陶瓷的金属组元均属于IVB族元素，与VB族(V、Nb、Ta)和VIB(Cr、Mo、W)的元素相比，Ti、Zr、Hf三种组元之间具有相同的最外层电子数，同时Ti、Zr、Hf与C形成的碳化物(TiC、ZrC、HfC)具有相同的面心立方晶体结构和更相近的物理和化学特性，这些特性有利于保障(Ti,Zr,Hf)C中熵陶瓷材料的耐高温高强度的性能。