一种超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及超高温隔热材料领域，具体为一种超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料及制备方法。(Hf

【技术实现步骤摘要】
一种超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料及制备方法
本专利技术涉及超高温隔热材料领域，具体为一种超高孔隙率(80％～96％)和耐超高温(>2000℃)的铪钽铌三元碳化物多孔陶瓷隔热材料及制备方法。
技术介绍
随着航天航空领域科学与技术的快速发展，超高声速飞行器的飞行速度越来越快，伴随产生的气动加热效应愈加显著，可将飞行器的关键部位温度升至超高温范围(>2000℃)。因此，对气动热的高效热防护是发展高超声速飞行器的关键技术之一。面对超高温隔热的需求，目前常规可耐温至1500℃的纤维类隔热瓦已不能可靠服役，急需发展耐超高温的新型隔热材料。超高温陶瓷熔点超过3000℃，且在极端环境中能保持稳定的物理和化学性质，主要包括过渡金属的氮化物、硼化物及碳化物。它们具有高强度、耐高温、抗烧蚀的性能优点，可在超高温下长时间保持飞行器结构外形的完整与稳定(W.G.Fahrenholtz,etal.,Scr.Mater.(材料快报).2016(129):94-99)。因此，多孔超高温陶瓷隔热材料被认为是解决当前超高温隔热的有效途径之一，将支撑新一代高超声速飞行器的快速发展。目前，绝大多数多孔超高温陶瓷的制备集中于ZrB2、ZrC多孔陶瓷和ZrB2-SiC、ZrC-SiC多孔复合材料，存在的主要问题包括：一、多孔材料的孔隙率低(65％～90％)；二、热导率偏高；三、强度低。如：85％孔隙率的ZrC多孔陶瓷的热导率和压缩强度为0.94W/(m·K)和0.4MPa；孔隙率为74.3％～81.6％的ZrB2/ZrC/SiC多孔陶瓷的强度仅为1.9～1.2MPa(F.Li,etal.,J.Eur.Ceram.Soc.(欧洲陶瓷学会会刊).2014,34(15):3513-3520)。为解决超高温隔热领域目前存在的问题，本专利技术采用可实现多孔陶瓷超高孔隙率(>90％)的发泡-注凝-冷冻干燥技术进行材料的制备，然后选取超高温陶瓷中熔点最高的碳化铪(3890℃)、碳化钽(3880℃)，以及碳化物超高温陶瓷中热导率最低的碳化铌(6.3W/(m·K)，其它碳化物热导率>30W/(m·K))为原料，并通过固溶的办法降低材料的热导率和增强力学性能，发展出具有耐超高温、抗烧蚀、超高孔隙率、低热导率和高强度的超高温热防护材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料及制备方法，通过新型的发泡-注凝-冷冻干燥工艺制备具有超高孔隙率、耐超高温、低热导率和高强度的(HfxTayNb1-x-y)C多孔陶瓷超高温热防护材料，并且材料的外观形状规则完整，干燥和烧结收缩率小，可实现近净尺寸成型。本专利技术的技术方案如下：一种超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料，按摩尔比计，铪钽铌三元碳化物的化学式为(HfxTayNb1-x-y)C，x、y的取值范围为：0<x<1，0<y<1，x+y<1，(HfxTayNb1-x-y)C三元碳化物的孔隙率为80％～96％，密度为0.45～2.35g/cm3，热导率为0.085～0.65W/(m·K)，压缩强度为0.15～10MPa，并且耐热温度高于2000℃。所述的超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料，材料的孔结构包括：大孔和小孔两种孔结构，其中：大孔的尺寸分布为30～600μm，占总孔体积的比例为70％～95％；小孔的尺寸为0.02～2.5μm，占总孔体积的比例为30％～5％。所述的超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料的制备方法，具体步骤如下：(1)配制陶瓷浆料：以质量份数计，按去离子水20～50份、分散剂0.5～2.5份、摩尔比x：y：(1-x-y)的碳化铪、碳化钽和碳化铌混合粉末50～150份的配比，依次加入并搅拌1～3小时，形成陶瓷颗粒分散均匀的浆料；(2)发泡-凝胶注模：将上述浆料加热至35～50℃，再按质量份数计，加入发泡剂1～3份，并机械搅拌发泡10～30分钟，转速为1000～2000rpm，然后按质量份数计，加入凝胶剂明胶2～5份和表面活性剂1～2.5份，继续搅拌20～45分钟后注模；(3)冷冻干燥和烘箱干燥：将注模后陶瓷泡沫坯体和模具放入-15～-45℃的冷冻箱中进行低温冰冻6～24小时，接着在真空中干燥12～36小时，之后坯体进行脱模，然后在60～80℃下烘箱中干燥12～24小时；(4)高温烧结：先在1300～1500℃下管式炉中进行烧结1～4小时，然后在1700～2100℃下的碳管炉中高温烧结1～5小时，最终制备出超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料。所述的超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料的制备方法，步骤(1)中，原料碳化铪粉末的原始粒度为0.5～1.5μm，原料碳化钽粉末的原始粒度为0.5～3μm，原料碳化铌粉末的原始粒度为0.5～3μm；经球磨8～36h后，混合粉末的平均粒径为0.7～1μm。所述的超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料的制备方法，步骤(1)中，分散剂为聚丙烯酸、柠檬酸铵或聚乙酰亚胺，发泡剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠，表面活性剂为聚乙二醇或丙三醇。所述的超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料的制备方法，步骤(4)中，高温烧结所使用的气氛是氮气、氩气或者真空。本专利技术的设计思想是：针对超高温隔热领域存在的难题，本专利技术首先利用新型的发泡-注凝-冷冻干燥技术，成功实现材料的超高孔隙率(85％～96％)，从而获得极低的热导率和密度，然后采用超高温陶瓷中熔点最高的碳化铪(3890℃)和碳化钽(3880℃)，以及碳化物耐超高温陶瓷中热导率最低的碳化铌(6.3W/(m·K))为原料，既保证了极佳的耐超高温性能，还通过固溶进一步降低基体材料的热导率并保证力学性能，进而制备出耐超高温、低热导率和高强度的超高温热防护材料。本专利技术的优点及有益效果是：1.本专利技术通过发泡-注凝-冷冻干燥工艺制备出(HfxTayNb1-x-y)C多孔陶瓷，材料具有超高孔隙率(80％～96％)、低热导率、高强度和耐超高温(>2000℃)的特点。2.本专利技术工艺简单，操作方便，制备周期较短，产品性能高，便于转化为生产力。3.相比于文献报道的多孔超高温陶瓷隔热材料(孔隙率85％，0.94W/(m·K))，本专利技术所制备的铪钽铌三元碳化物多孔陶瓷具有更高的孔隙率(最高96％)、更高的强度(10MPa)和更低的热导率(0.085W/(m·K))。4.本专利技术所制备(HfxTayNb1-x-y)C多孔陶瓷的耐超高温性能出色，超高温(2000℃，2h)热循环收缩率小于1％，有望成为优秀的超高温隔热材料，突破现有隔热材料的耐温局限，满足国家在超高温隔热领域(>2000℃)的安全战略需求。附图说明图1为(Hf1/6Ta2/6Nb3/6)C多孔陶瓷的X射线衍射谱图。图2(a)-图2(b)为(Hf1/4Ta1/4Nb2/4)C多孔陶瓷的扫描电镜照片。其中，图2(a本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料，其特征在于，按摩尔比计，铪钽铌三元碳化物的化学式为(Hf

【技术特征摘要】
1.一种超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料，其特征在于，按摩尔比计，铪钽铌三元碳化物的化学式为(HfxTayNb1-x-y)C，x、y的取值范围为：0<x<1，0<y<1，x+y<1，(HfxTayNb1-x-y)C三元碳化物的孔隙率为80％～96％，密度为0.45～2.35g/cm3，热导率为0.085～0.65W/(m·K)，压缩强度为0.15～10MPa，并且耐热温度高于2000℃。


2.按照权利要求1所述的超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料，其特征在于，材料的孔结构包括：大孔和小孔两种孔结构，其中：大孔的尺寸分布为30～600μm，占总孔体积的比例为70％～95％；小孔的尺寸为0.02～2.5μm，占总孔体积的比例为30％～5％。


3.一种权利要求1至2之一所述的超高孔隙率铪钽铌三元碳化物超高温隔热材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)配制陶瓷浆料：以质量份数计，按去离子水20～50份、分散剂0.5～2.5份、摩尔比x：y：(1-x-y)的碳化铪、碳化钽和碳化铌混合粉末50～150份的配比，依次加入并搅拌1～3小时，形成陶瓷颗粒分散均匀的浆料；
(2)发泡-凝胶注模：将上述浆料加热至35～50℃，再按质量份数计，加入发泡剂1～3份，并机械搅拌发泡10～30分钟，转速为1000～2000...

【专利技术属性】
技术研发人员：王京阳，吴贞，梁显鹏，邵卓杰，孙鲁超，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21