本发明专利技术涉及一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷及其制备方法，所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷形成为纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中的结构，相对密度为80%～99%，孔隙率为20%～1%；所述纳米孔为开气孔，孔径为10nm～1000nm。本发明专利技术首次通过过渡金属氮化物和碳源反应无压烧结的方法制备了具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷。本发明专利技术利用原材料粉体发生原位合成反应，并释放出气体，从而实现了开气孔的通道的保留，导致最终合成并烧结的过渡金属碳化物基体中存在纳米孔结构。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，具体涉及通过过渡金属氮化物和碳源反应，无压烧结制备，获得孔隙率和孔径均可调节且纳米孔均匀分布于陶瓷基体中的过渡金属碳化物陶瓷，属于多孔陶瓷材料制备领域。
技术介绍
过渡金属碳化物(碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钥、碳化钨)以其极高的熔点、超高的硬度、优异的抗腐蚀能力、良好的热导率和电导率成为超高温陶瓷、硬质合金、电极材料以及强腐蚀环境中的重要候选材料，在工业领域有巨大的应用市场。此外，碳化钛、碳化锆等材料由于具有较低的中子吸收截面，被认为是第四代核能系统(Gen-1V)中快堆和加速器驱动次临界清洁能源系统(ADS)中惰性基体燃料的最佳候选材料之一。作为Gen-1V系统关键材料，必须具备承受极端苛刻的中子辐照侵蚀(高达200dpa)的能力。尽管TiC、ZrC等碳化物陶瓷材料比绝大多数材料的抗辐照性能优异，但依然不能避免中子损伤，尤其是辐照过程中产生大量的裂变气体He和H2，这些气体将聚集于材料晶界处形成氦泡等，最终导致材料的肿胀和脆变破坏。美国爱德华国家实验室的Gan等人采用Kr离子源在800°C下辐照平均晶粒尺寸为24 μ m的ZrC (美国CERCOM公司),结果显示:ZrC在福照剂量达至Li 70dpa时发生了 7vol%的肿胀[J.Gan, M.K.Meyer, etal., pp.358-364.1n Effects ofRadiation on Materials:22nd Symposium，Vol.1475.Edited by T.R.Alien，R.G.Lott, J.T.Busby, andA.S.Kumar, 2006]。因此，必须设法避免应用于核能系统中的碳化物陶瓷材料的辐照损伤。目前材料设计多停留在模拟计算阶段 ，研究发现具有纳米孔结构的材料有利于裂变气体的有效逸出，避免裂变气体在晶界处大量聚集，造成材料肿胀和脆变破坏。然而，绝大多数多孔材料的研究停留在泡沫法和模板法阶段，而且孔径大多为微米孔级别，这对于过渡金属碳化物陶瓷材料来说，严重降低了其本征具有的高强度、高硬度以及高热导率等性能，无法应用于对力学和热学性能要求严格的先进核能系统中。目前对于过渡金属碳化物(MC)，常规的MC商业粉体的制备方法主要采用以过渡金属氧化物(M02)、石墨原料的碳热还原法和以过渡金属(M)和石墨为原料的直接反应法。由于MO2与石墨混合不均匀，团聚的MO2原料于反应完成之前已经在高温(1300-1500°C)下快速生长，导致最终所得MC粉体颗粒尺寸较大；金属M原料的粒径较大且易发生氧化，导致产物MC团聚严重、氧杂质含量较高。总地来说，商业MC粉体粒径一般在几微米至几十微米，采用该类粉体为原料，一般需要较高的烧结温度并由此导致材料晶粒的异常生长。另外，过渡金属碳化物由于具有极强的共价键，导致烧结过程中物质传输速度很慢，而且常规的商业粉体均含有氧化物杂质，研究发现，这些氧化物杂质在碳化物颗粒表面形成氧化物薄膜，大大降低了碳化物粉体的表面能和烧结活性，致使过渡金属碳化物陶瓷烧结陷入低温难以烧结、高温过烧的两难境地。因此，要制备具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷材料难上加难，急需转变思路，寻找更加合适的途径，研究制备适用于过渡金属碳化物陶瓷的方法来实现纳米孔结构的控制。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种。在此，一方面，本专利技术提供一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷，所述过渡金属碳化物陶瓷形成为纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中的结构，相对密度为80% 99%，孔隙率为1 % 20% ;所述纳米孔为开气孔，孔径为IOnm lOOOnm。 所述过渡金属碳化物陶瓷的相对密度优选为90% 95%。该纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷的显微结构中，纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中。其中孔隙率优选为5% 10%。又，所述纳米孔的孔径优选为10 500nmo在本专利技术中，所述过渡金属碳化物包括碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钥、和碳化钨。本专利技术的具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷与普通过渡金属碳化物陶瓷相t匕，具有较好的力学性能和热学性能。另一方面，本专利技术还提供所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷的制备方法，包括:以过渡金属氮化物粉体和碳源粉体为原料，将制得的陶瓷坯体采用两步无压烧结处理制得所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷。在本专利技术中，所述过渡金属氮化物粉体为氮化钛、氮化锆、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽、氮化铬、氮化钥和氮化钨中的任意一种。所述碳源可以为碳黑或石墨。本专利技术的方法制得的过渡金属碳化物陶瓷孔隙率和孔径的调节方式可以通过改变原料粒径和组分配比等。优选地所述过渡金属氮化物粉体的纯度为大于95%，粒径为0.1 50 μ m。又，所述碳源粉体的纯度优选大于95%，粒径优选为0.1 100 μ m。所述过渡金属氮化物与所述碳源的摩尔比优选为1: (0.8 1.5)。原料粉体均匀混合后经过干燥和成型工艺制得陶瓷坯体。在本专利技术的制备方法中较佳地通过干压或等静压等方式使陶瓷坯体初始密度达到50%以上，然后再将其进行两步无压烧结处理以制备所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷。烧结过程中，采用两步法无压烧结，这样可以先保证过渡金属氮化物和碳源在反应温度充分反应，然后升高温度至一定温度烧结形成具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷。所述两步无压烧结处理的第一步反应优选为在1400°C 1800°C下保温0.5 1.5小时，第二步反应优选为在2000°C 2400°C下保温时间为0.5 3小时。又，优选以10 IOO0C /min的升温速率升温。此外，在所述两步无压烧结处理过程中，烧结气氛优选为真空或者惰性气氛。本专利技术首次通过过渡金属氮化物和碳源反应无压烧结的方法制备了具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷。本专利技术利用原材料粉体发生原位合成反应，并释放出气体，从而实现了开气孔的通道的保留，导致最终合成并烧结的过渡金属碳化物基体中存在纳米孔结构。所述过渡金属碳化物陶瓷的孔隙率和孔径可以通过改变原料粒径、原料组分配比、反应温度、反应保温时间、烧结温度、烧结保温时间、和/或烧结气氛等工艺参数进行调节；均匀分布的所述纳米孔不会大幅度降低陶瓷的力学性能和热学性能。本专利技术的制备工艺简单、实用，可操控性强，容易实现复杂形状的规模化生产。附图说明图1是实施例1两步法反应烧结第一步反应阶段制得的碳化钛陶瓷的XRD 图2是实施例1两步法反应烧结第二步结束后最终制得的具有纳米孔结构的碳化钛陶瓷的SEM图。具体实施例方式以下结合下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术通过采用过渡金属氮化物(氮化钛、氮化锆、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽、氮化铬、氮化钥、氮化钨等)粉体和碳源粉体为原料，首先按照一定比例均匀混合原料粉体，然后经过干燥成型工艺使其成为具有一定密度的坯体，最后经过两步法反应、无压烧结制备，最终获得具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷材料，其孔隙率可以调节控制在1% 20%，孔径可以控制在IOnm lOOOnm。更具体地，作为示例，本专利技术可以包括以下步骤: a)原料制备:以过渡 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷，其特征在于，所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷形成为纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中的结构，相对密度为80%～99%，孔隙率为20%～1%；所述纳米孔为开气孔，孔径为10nm～1000nm。
【技术特征摘要】
1.一种具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷，其特征在于，所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷形成为纳米孔均匀分布于过渡金属碳化物陶瓷基体中的结构，相对密度为80% 99%，孔隙率为20% 1% ;所述纳米孔为开气孔，孔径为IOnm lOOOnm。2.根据权利要求1所述的具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷，其特征在于，所述过渡金属碳化物包括碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钥、和碳化鹤。3.—种权利要求1或2所述的具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷的制备方法，其特征在于，包括:以过渡金属氮化物粉体和碳源粉体为原料，将制得的陶瓷坯体采用两步无压烧结处理制得所述具有纳米孔结构的过渡金属碳化物陶瓷。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属氮化物粉体为氮化钛、氮化锆、氮化铪、氮化钒、氮化铌、氮化钽、氮化铬、氮化钥和氮化钨中的任意一种；所述碳源为碳黑或石墨。5.根据权利要求3或4...
【专利技术属性】
技术研发人员：薛佳祥，张国军，刘海涛，徐常明，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：
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