[发明专利]一种高强高韧耐超高温金属陶瓷的制备方法

说明书

本发明公开一种高强高韧耐超高温金属陶瓷的制备方法，该制备方法包括设计层状结构、按设计的层状结构铺填陶瓷粉体和难熔金属、生坯压制和高温烧结等步骤。本发明提供的制备方法选择难熔金属作为层状增韧相，可以减弱层状金属陶瓷烧结过程中的应力集中，充分发挥难熔金属自身和层状结构的增韧效果，在增韧相体积分数很低的情况下也可获得较好的韧性；此外，该制备方法工艺简单、周期短、环境友好，且可针对不同的应用需求，通过调整两相的排布得到不同性能的制品，工业化生产前景广阔。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其是一种高强高韧耐超高温金属陶瓷的制备方法。

背景技术

当前，高超声速飞行器已成为世界上各军事大国竞相抢占的技术高点。由于飞行速度非常快，高超声速飞行器在大气层再入以及大气层内巡航飞行时，鼻锥、机翼前缘等尖锐部件需要承受严苛的热力氧耦合条件考验，对飞行器热结构材料的力学性能、抗高温氧化和抗烧蚀性能提出了极高的要求。传统的C/C复合材料密度低、高温强度优异，但抗氧化性能差，在有氧环境中400℃即开始氧化。难熔金属加工成型简单，抗热震性能优异，但密度大，高温下强度迅速降低。以上两者均无法完全匹配未来更高飞行速度飞行器对轻质、高强、抗高温氧化热结构材料的需要。因此，亟待开发新型高强、高韧、耐超高温的材料。

耐超高温陶瓷是一些过渡族金属的难熔硼化物、碳化物和氮化物，主要包括ZrB₂，HfB₂，TaC，HfC，ZrC，HfN等。由于熔点普遍在3000℃以上，且强度和模量高，热导率、热膨胀系数和抗氧化烧蚀性能适中，耐超高温陶瓷具备在2000℃以上的氧化环境中实现长时间非烧蚀的潜力，是再入飞行器、大气层内高超声速飞行器的鼻锥、前缘以及发动机燃烧室的关键热端部件的优异候选材料。但耐超高温陶瓷最大的性能短板是韧性低，在大热流密度冲击下很容易崩裂，导致灾难性破坏，这也极大的限制了其作为高温结构材料应用。

而目前现有的耐超高温陶瓷增韧方法制备工艺复杂，且制备获得的产品无法兼顾高韧性和高比强度，使得增韧耐超高温陶瓷陷入瓶颈。

发明内容

本发明提供一种高强高韧耐超高温金属陶瓷的制备方法，用于克服现有技术中增韧方法制备工艺复杂，且制备获得的产品无法兼顾高韧性和高比强度等缺陷。

为实现上述目的，本发明提出一种高强高韧耐超高温金属陶瓷的制备方法，包括：

S1：设计耐超高温金属陶瓷的层状结构，所述层状结构包括陶瓷层和难熔金属层为交替叠层排布，耐超高温金属陶瓷的上表面和下表面均为陶瓷层，以及陶瓷层和难熔金属层的层数、层厚比；

S2：根据设计的层状结构，在模具中铺填一层陶瓷粉体，将所述陶瓷粉体压制密实后，铺填一层连续形态的难熔金属；

S3：按设计的层状结构，重复陶瓷粉体和难熔金属的铺填过程，直至满足设计的层状结构；

S4：将模具移至烧结设备中，抽真空、加载压力、烧结；

S5：模具随炉冷却至室温后，开炉、脱模，得到高强高韧耐超高温金属陶瓷。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明提供的高强高韧耐超高温金属陶瓷的制备方法选择与陶瓷基体物理和化学相容性好的难熔金属作为层状增韧相，可以减弱层状金属陶瓷烧结过程中的应力集中，充分发挥难熔金属自身和层状结构的增韧效果，在增韧相体积分数很低的情况下也可获得较好的韧性。