[发明专利]高熔点过渡金属碳化物超细粉体的合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合成高熔点过渡金属碳化物超细粉体的方法。更确切的说是一种合成粒径小于300nm的ZrC、HfC、TaC、TiC超细粉体的方法。属于超细粉体合成领域。

背景技术

目前，在现有技术中，通常碳化物高温陶瓷商业粉体价格昂贵，而且粒径较粗，烧结活性较低，需在较高温度下烧结。Sanders等采用粒径为3.04μm商业HfC粉体在2330℃的高温下热压烧结HfC陶瓷，所得陶瓷显微结构粗糙，平均晶粒尺寸达22μm。同时，他们采用该商业HfC粉在2760℃的高温下无压烧结所得HfC陶瓷的致密度仅为90％。Sciti等利用放电等离子烧结技术在2400℃以上的高温下制备了单相HfC陶瓷，所得陶瓷的晶粒也较粗大，平均晶粒尺寸达19μm。(D.Sciti，S.Guicciardi，and M.Nygren，“Densification and Mechanical Behavior of HfC and HfB₂Fabr icated by Spark Plasma Sintering，”Journal of the American Ceramic Society，91[5]1433-14402008.)众所周知，致密度低、显微结构粗糙将使陶瓷的力学性能急剧下降，导致材料不能满足服役要求，所以，碳化物超高温陶瓷的致密化和显微结构调控是超高温热防护材料发展中急待解决的瓶颈问题。

理论研究表明，陶瓷烧结的驱动力ΔG可表示为ΔG＝γ(A₀-A₁)，其中，γ为比表面能，A₀为初始总表面能，A₁为最终总表面能。故，陶瓷烧结过程是材料总表面能降低的过程，初始总表面能越高，则烧结过程中总表面能降低越大，越有利于致密化。也就是说，陶瓷粉体颗粒越细小，其初始表面能越高，粉体的烧结活性也就越高。Chang等利用纳米Al₂O₃粉体仅在1250℃的低温下就热压烧结得到了具有超细晶粒的高性能Al₂O₃陶瓷。(S.Chang，R.H.Doremus，L.S.Schadler，and R.W.Siegel，“Hot-Pressing of Nano-Size Alumina Powder and the Resulting Mechanical Properties”，International Journal of Applied Ceramic Technology，2005，1[2]，172-179)。Tarta等利用纳米ZrO₂粉体在1150℃的低温下烧结得到了具有纳米晶的高性能ZrO₂陶瓷。(J.Tartaj and P.Tarta，“Two-Stage Sintering of Nanosize Pure Zirconia”，Journal of the American Geramic Society，2008，92[1]，103-106)。可见，采用超细粉体为原料可降低陶瓷的烧结温度，得到晶粒尺寸细小的显微结构并有助于提高材料性能。因此，合成过渡金属碳化物超细粉体是实现碳化物超高温陶瓷的低温致密化和改善其显微结构、提高其性能的一条有效途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种ZrC、HfC、TaC、TiC超细粉体的制备方法，其特征在于，采用低气体压力法降低了过渡金属氧化物与碳黑之间的反应温度；同时，通过两步升温法，先在低温下保温使得反应充分发生并阻止了晶粒生长，再于高温下彻底除氧并提高产物结晶度。

本发明的目的是通过下列方式实施的。即以纯度不低于99％的过渡金属氧化物粉体和碳黑为原料，氧化物粉体与碳黑按照化学反应式(1)～(4)进行配料。将上述配好的粉体与乙醇、氮化硅球按一定比例装于混料罐内，在辊式球磨机上混合24h，再对所得浆料进行旋转蒸发，得干燥的混合粉体。将干燥的混合粉体装入坩埚内，而后在200Pa以下的气压下分两步加热至600～1800℃之间进行碳热还原，最终得到碳化物超细粉体。

具体地说：

(1)按照化学反应式(1)～(4)，将过渡金属氧化物粉体(ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、TiO₂)与碳黑称量好后，装于混料罐内，以乙醇为介质、Si₃N₄球为磨介在辊式球磨机上混合24h，再旋转蒸发得到氧化物/碳黑混合干粉。