[发明专利]一种超高孔隙率的高熵碳化物超高温陶瓷及制备方法

说明书

本发明涉多孔高熵超高温陶瓷隔热材料领域，具体为一种超高孔隙率的高熵碳化物超高温陶瓷及制备方法。多孔(Zr_aHf_bNb_cTa_dX_e)C陶瓷的骨架基体材料为面心立方结构的单相高熵超高温陶瓷；按原子百分比计，a、b、c、d和e的取值范围为10％～35％，且a+b+c+d+e＝1，X为Ti、W、V、Cr或Mo。以五种碳化物的混合物粉末作为原料，配制混合物粉末的浆料，加入发泡剂进行发泡，加入凝胶剂进行注模，随后进行冷冻和干燥。经1300～1550℃预烧结以及1750～2000℃高温无压原位反应烧结，制备出多孔高熵超高温陶瓷隔热材料。本发明所合成的超高温隔热材料具有超高孔隙率(83％～96％)、低密度(0.25～1.90g/cm³)、高强度(0.21～16.92MPa)、低热导率(0.10～0.35W/(m·K))和耐超高温(2000℃)的优点，在航天航空热防护领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉多孔高熵超高温陶瓷隔热材料领域，具体为一种超高孔隙率的高熵碳化物超高温陶瓷及制备方法。

背景技术

由于航天航空事业的快速发展，高超声速飞行器的飞行速度越来越快，从而带来更加严重的气动加热效应，造成飞行器表面温度可达2000 ℃以上。常规氧化物体系隔热材料的熔点相对较低，在大于2000 ℃的超高温条件下无法保持热稳定性，传统的隔热材料遇到耐温瓶颈。因此，亟需发展新型耐超高温的隔热材料，碳化物超高温陶瓷具有超高熔点，且具有优异的耐高温和热化学稳定性，以及高的强度和抗烧蚀性能，是性能优异的超高温隔热材料的候选体系。但是碳化物的本征热导率一般相对较高，需要采取有效措施降低其热导率以满足航天航空隔热材料的使用要求。

目前可有效降低材料热导率的主要方法有：（1）利用高熵效应降低基体材料的本征热导率；（2）提高材料的孔隙率。研究表明采用五种主元的碳化物为原料，通过高熵效应引入晶格畸变，有效抑制了热传输，从而制备出具有极低热导率的高熵(Hf_0.2Zr_0.2Ta_0.2Nb_0.2Ti_0.2)C材料，其室温热导率仅为6.45 W/(m·K)，远低于五种主元碳化物的平均热导率24.96 W/(m·K)（Xueliang Yan et al. J. Am. Ceram. Soc. (美国陶瓷学会杂志) 2018; 101: 4486-4491.）。而且，由于多主元造成的高熵效应不仅可以显著降低材料的热导率，还可以提升其热学稳定性和力学性能。此外，由于空气热导率（0.023 W/(m·K)）远低于固体材料的热导率，因此引入多孔结构并达到超高孔隙率（90%）也可获得具有极低热导率的隔热材料（L. Gong et al. Int. J. Heat Mass Tran. (国际传热与传质杂志) 2013; 67: 253-259.）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高孔隙率的高熵碳化物超高温陶瓷及其制备方法，采用发泡-凝注-冷冻干燥技术，并通过无压原位反应烧结，制备出具有岩盐结构的单相多孔高熵碳化物超高温陶瓷，而且还有低密度、高强度和低热导率的特点。

本发明的技术方案如下：