一种超高温高熵碳化物粉体及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种超高温高熵碳化物粉体及其制备方法，超高温高熵碳化物粉体为单一相固溶体，具有岩盐相结构，其分子式为M

【技术实现步骤摘要】
一种超高温高熵碳化物粉体及其制备方法
本专利技术属于陶瓷材料
，具体涉及一种超高温高熵碳化物粉体及其制备方法。
技术介绍
在新一代飞行器高超声速长时间飞行、再入大气层、跨大气层飞行以及火箭推进系统等极端苛刻环境服役条件下，飞行器的鼻锥、机翼前缘和发动机热端部件等对高性能防热材料强烈需求的背景下，现有的成熟材料己经很难满足应用的需求。“高熵”一词第一次是在20世纪90年代由台湾学者叶均蔚教授提出的多主元高熵合金材料中出现的，大量研究表明，高熵合金拥有着比普通合金更加优异的物理化学性能，从最开始的高熵合金，人们把研究转移到高熵化合物上，期待与高熵合金一样拥有比普通化合物优异的性能，再加上单一碳化物与生俱来的优良性能，引起人们对高熵碳化物的兴趣与关注。高熵碳化物作为一种新型的超高温陶瓷材料，具有熔点高、硬度大、热导率和电导率优异、抗热震性等特点，在超高温，航天推进和能源等领域具有较大潜力。东华大学的李飞等人发表文献“Liquidprecursor-derivedhigh-entropycarbidenanopowders[J].CeramicsInternational,2019,45(17):22437–22441.”和专利CN110104648A公开了一种高熵碳化物纳米粉体及其制备方法。其通过过渡金属盐、有机碳源之间的溶胶-凝胶反应，获得各组分在分子层级均匀混合的高熵碳化物液相前驱体，经干燥、高温热处理得到。该方法制备的高熵碳化物陶瓷所使用的部分氯化物原料价格昂贵，不利于实现其广泛应用。华南理工大学的褚衍辉等人发表文献“First-principlesstudy,fabrication,andcharacterizationof(Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)Chigh-entropyceramic[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,2019,102(7):4344–4352.”和专利CN108911751A公开了一种ZrHfTaNbTiC超高温高熵陶瓷材料。该高熵陶瓷材料由Zr、Hf、Ta、Nb、Ti和C元素组成，为单一岩盐相结构。其通过将五种碳化物进行球磨后得到的混合均匀的悬浊液，再通过高温热压烧结得到该高熵陶瓷材料。但由于球磨法会引入大量的杂质元素，并且原料昂贵，限制了其广泛应用。哈尔滨工业大学的陈磊等人发表文献“Microstructureandmechanicalpropertiesof(TiZrNbTaMo)Chigh-entropyceramic[J].JournalofMaterialsScienceandTechnology,2020,39:99–105.”和专利CN110330341A公开了一种过渡金属碳化物单相高熵陶瓷粉体及其制备方法。将金属氧化物和还原性碳粉混合后高能球磨得到的混合粉体置于石墨坩埚中，再在真空条件下进行煅烧，再进行过筛，得到过渡金属碳化物单相高熵陶瓷粉体。碳热还原工艺需要调控合成温度和真空度等参数，而且所使用的氧化物原料活性差，导致粉体合成温度高达2200℃。
技术实现思路
为了避免上述技术的不足之处，本专利技术目的在于提供一种制备工艺简单、合成温度低的超高温高熵碳化物粉体及其制备方法，所制备的高熵碳化物粉体具有粒径小，纯度高等优点。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种超高温高熵碳化物粉体，碳化物粉体为单一相固溶体，具有岩盐相结构，其分子式为MxC，其中M为Zr、Ti、Hf、Mo、Ta和Nb中的4-5种，其中5％＜x＜35％。超高温高熵碳化物粉体的制备方法，包括以下步骤：(1)将Mo、Zr和Ti中的2-3种的过渡金属盐、聚乙二醇和碳源混合通过柠檬酸络合溶胶凝胶法得到液相前驱体，将液相前驱体与Ta、Hf和Nb中的2～3种的过渡金属氧化物粉末混合球磨，然后进行水浴凝胶化后烘干得到干凝胶；(2)将上述得到的干凝胶进行研磨、压片，然后在保护气氛下、于1500～2000℃进行热处理，即得到单相的超高温高熵碳化物粉体。进一步，所述步骤(1)中液相前驱体的合成方法是将柠檬酸与过渡金属盐中过渡金属离子按摩尔比1:(1-5)混合，再按柠檬酸与聚乙二醇的质量比为(1-8):1添加聚乙二醇，按照碳源与过渡金属盐中过渡金属离子按摩尔比1:1添加碳源，再多添加2％-10％的碳源，通过氨水调节溶胶pH为3-8。。进一步，所述步骤(1)中水浴凝胶化过程是将液相前驱体与过渡金属氧化物粉末行超声分散后，进行球磨，使液相前驱体与过渡金属氧化物粉末混合均匀后进行水浴凝胶化使过渡金属氧化物粉末均匀分布在凝胶中。进一步，所述的水浴凝胶化反应温度为60～90℃，搅拌时间为5～15h。进一步，所述的步骤(1)中烘干温度为60℃-80℃。进一步，所述的过渡金属盐为过渡金属的氧氯化盐、铵盐或硫酸盐。进一步，所述的碳源为蔗糖、果糖、葡萄糖、糠醇树脂、酚醛树脂中的一种或几种。与现有技术相比，本专利技术有以下技术效果：本专利技术的高熵碳化物粉体分子式为MxC，为单一相的固溶体，具有岩盐相结构。利用部分过渡金属无机盐与柠檬酸络合创造液相条件来降低合成温度，部分金属选用其氧化物来降低成本。本专利技术采用柠檬酸为络合剂，与金属离子发生络合作用，形成链状结构。滴加氨水会增加柠檬酸的电离度，从而促进柠檬酸与金属离子的络合反应。聚乙二醇首先作为添加剂，对胶粒具有包裹作用，防止胶粒生长过大。其次聚乙二醇结构中的羟基与柠檬酸的羧基发生反应，形成环状网络结构，有利于稳定溶胶。本专利技术通过球磨混合技术将氧化物粉体与液相前驱体混合均匀后搅拌水浴，再经过高温热处理后得到。在液相中进行的化学反应，能很短的时间内获得分子水平的混合，容易实现材料化学配比的精确控制，制备工艺简单、合成温度低(1550℃-1850℃)，成本低。本专利技术所制备的高熵碳化物粉体具有粒径小，纯度高等优点。附图说明图1为实施例1得到的(ZrTiTaNb)C高熵碳化物粉体的XRD图片图2为实施例3得到的(ZrTiTaNbHf)C高熵碳化物粉体的XRD图片具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细描述，但不作为对本专利技术的限定。实施例1(1)分别按照金属元素摩尔比为1:1称取2.8102gZrOCl2·8H2O、2.1819gTi(SO4)2溶于去离子水中，一水合柠檬酸按照与金属离子1:3的摩尔比例称取1.2655g后溶于去离子水中，分别加入以上溶液中并将两者混合。(2)聚乙二醇按照与一水合柠檬酸1:5的质量比称取0.3021g后溶于去离子水，加入上述溶液中。称取4.0312g葡萄糖溶于去离子水中，加入上述溶液中，形成溶胶。并使用氨水对其pH进行调节至6。(3)按照氧化物中金属元素与步骤1中无机盐金属元素的摩尔比为1:1，称取1.9167g的氧化钽和1.1529g的氧化铌。加入上述溶胶后球磨13h后进行水浴，在60℃水浴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高温高熵碳化物粉体，其特征在于：碳化物粉体为单一相固溶体，具有岩盐相结构，其分子式为M

【技术特征摘要】
1.一种超高温高熵碳化物粉体，其特征在于：碳化物粉体为单一相固溶体，具有岩盐相结构，其分子式为MxC，其中M为Zr、Ti、Hf、Mo、Ta和Nb中的4-5种，其中5％＜x＜35％。


2.如权利要求1所述的超高温高熵碳化物粉体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将Mo、Zr和Ti中的2-3种的过渡金属盐、聚乙二醇和碳源混合通过柠檬酸络合溶胶凝胶法得到液相前驱体，将液相前驱体与Ta、Hf和Nb中的2～3种的过渡金属氧化物粉末混合球磨，然后进行水浴凝胶化后烘干得到干凝胶；
(2)将上述得到的干凝胶进行研磨、压片，然后在保护气氛下、于1500～2000℃保温1-3h进行热处理，即得到单相的超高温高熵碳化物粉体。


3.根据权利要求2所述的超高温高熵碳化物粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中液相前驱体的合成方法是将柠檬酸与过渡金属盐中过渡金属离子按摩尔比1:(1-5)混合，再按柠檬酸与聚乙二醇的质量比为(1-8):1添加聚乙二醇，按照碳源与过渡金属盐中过渡金属离子按摩尔...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘虎林，党锋珍，刘长青，薛云龙，伍媛婷，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61