[发明专利]一种高性能（TiTaHfZrNb）C高熵碳化物陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了高熵陶瓷技术领域的一种高性能(TiTaHfZrNb)C高熵碳化物陶瓷及其制备方法，包括以下重量份原料：氧化铪微粉1‑2份、氧化钛微粉1‑2份、五氧化二钽微粉1‑2份、氧化锆微粉1‑2份、五氧化二铌微粉1‑2份、石墨微球5‑6份；本发明采用的石墨微球不仅具有与鳞片石墨相似的物理化学性能，而且具有良好的球形度、流动性及分散性，此外，其比表面积远大于鳞片石墨，具有较高的化学反应活性。相比炭黑质轻易于漂浮在基质表面，石墨微球单位体积的质量远高于炭黑，更易于在基质中分散。因此，利用石墨微球通过碳热还原反应机制制备高熵碳化物陶瓷有效地解决了高熵碳化物合成温度高、晶粒发育大等问题。

技术领域

本发明涉及高熵陶瓷技术领域，具体为一种高性能(TiTaHfZrNb)C高熵碳化物陶瓷及其制备方法。

背景技术

高熵碳化物具有优异的力学、耐腐蚀、抗辐照以及摩擦磨损性能，在航空航天、机械、冶金等领域具有广泛的应用前景。氧化物碳热还原法和其他制备方法相比，所需合成温度低，制备的陶瓷晶粒尺寸小，机械性能优异。其基本原理是：在高温条件下以碳源作为还原剂与金属氧化物发生置换反应并经煅烧制备高熵碳化物陶瓷。目前采用碳热还原反应法制备高熵碳化物陶瓷的碳源主要是鳞片石墨和炭黑。然而鳞片石墨自身片状结构致使其分散性较差，导致基体中碳源分布不均匀从而严重影响反应过程，最终制备的高熵碳化物陶瓷内部杂质含量较高。并且化学活性较低，使得所制备的高熵碳化物陶瓷内部杂质含量进一步增多。采用炭黑作为碳源可以降低高熵碳化物合成温度，而且显著提升试样的致密度，其原因在于炭黑相比鳞片石墨具有较高的化学反应活性、更高的比表面积及体积分数，一方面可以在试样基质中分布更加均匀，显著增加与金属氧化物的接触面；另一方面加速与金属氧化物粉体之间碳热还原反应速率。但是炭黑的石墨化程度较低，当加入量较大或反应温度较高时容易发生氧化；炭黑颗粒比表面积大、质量轻，在湿磨的过程易于漂浮在基质表面严重影响其在试样中的分散性。碳源的问题一定程度上限制了高熵碳化物陶瓷的烧结工艺与性能，制约着高熵碳化物陶瓷更广泛的应用，需要从碳源及制备生产工艺上进一步改进。

目前，“超高温高熵碳化物粉体及其制备方法”(CN110078512A)的专利技术，公开了以TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Nb₂O₅、WO₃、Ta₂O₅和碳黑为原料，通过湿法混合和高温碳热还原反应制备得到(TiZrHfNbWTa)C高熵碳化物陶瓷。该方法在一定程度上提升了材料机械性能。但其主要缺陷是：(1)炭黑的石墨化程度较低，当加入量较大或反应温度较高时容易发生氧化；(2)炭黑质轻，在湿磨的过程中易于漂浮在基质表面影响其在试样中的分散性。

因此提出一种高性能(TiTaHfZrNb)C高熵碳化物陶瓷以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能(TiTaHfZrNb)C高熵碳化物陶瓷及其制备方法，以解决上述背景技术中提出问题。

为实现上述目的，本发明提供如下方案予以实现：一种高性能(TiTaHfZrNb)C高熵碳化物陶瓷，包括以下重量份原料：氧化铪微粉1-2份、氧化钛微粉1-2份、五氧化二钽微粉1-2份、氧化锆微粉1-2份、五氧化二铌微粉1-2份、石墨微球5-6份。

优选的，所述氧化铪微粉1份、氧化钛微粉1份、五氧化二钽微粉1份、氧化锆微粉1份、五氧化二铌微粉1份、石墨微球5份。

优选的，所述氧化铪微粉、氧化钛微粉、五氧化二钽微粉、氧化锆微粉和五氧化二铌微粉的纯度≥99％，粒径≤5μm。

优选的，所述石墨微球的制备方法包括下步骤，S1：将葡萄糖、去离子水、聚丙烯酸钠和金属催化剂放入反应器中，升温至160-200℃并保温4-12h，得到负载催化剂的碳微球；S2：将负载催化剂的碳微球在惰性气氛下经900-1400℃的条件下热处理1-5h后得到石墨微球。