[发明专利]一种高致密度ZrB2

说明书

本发明属于超高温陶瓷材料制备技术领域，提供了一种高致密度ZrB₂陶瓷的制备方法。该方法具体步骤为：首先采用碳热还原法和自蔓延法分别制备ZrB₂粉体，再将自蔓延法制备的ZrB₂粉体作为添加剂按一定比例与碳热还原法制备的ZrB₂粉体均匀混合作为原料粉体，最后将该原料粉体装入高强石墨模具中，真空热压烧结实现ZrB₂陶瓷的深度致密化。本发明提供的制备方法工艺简单，成本低，可操作性强，易于实现工业化生产，热压烧结过程无须添加烧结助剂，得到的ZrB₂陶瓷相结构单一、纯度高、致密度高。

技术领域

本发明属于超高温陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种高致密度ZrB₂陶瓷的制备方法。

背景技术

ZrB₂具有高熔点、高硬度、良好的导电性和热稳定性，广泛应用于复合材料、电极材料、耐火材料以及核控制材料等诸多领域。另外，通过添加其他相或一定的热处理制度可提高ZrB₂陶瓷的高温抗氧化性,使得ZrB₂基复合材料成为一种优良的超高温材料(UHTMs)，在航空航天领域应用前景广阔。另外，高度致密化的ZrB₂陶瓷靶材可以通过磁控溅射沉积薄膜，用于先进压水堆如 AP1000反应堆的一体化可燃毒物。

ZrB₂陶瓷的制备技术主要包括粉体合成和陶瓷深度致密化两部分。粉体合成的方法有很多，包括直接合成法、碳热还原法、金属热还原法、高温自蔓延合成法、电化学合成法、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、PVD、CVD等，其中，碳热还原法和自蔓延法是最常用也是易于实现的两种方法。陶瓷深度致密化的方法有热压烧结、无压烧结、热等静压、原位反应热压以及高温自蔓延烧结等多种方法，无压烧结工艺简单，适用于复杂形状、不同规格制品的烧制，但是无压烧结过程容易引起晶粒异常长大，导致制品致密度降低；热等静压烧结制品致密度高、均匀性好、性能优异，但由于设备昂贵，导致生产成本较高；原位反应热压有效避免了外界杂质元素的污染，同时降低致密化过程温度，缺点是过程不易控制；由于 ZrB₂具有超高熔点及其自身的物理化学特性，ZrB₂陶瓷尤其是不添加烧结助剂的单相ZrB₂陶瓷的深度致密化一直是难点。现有文献通过对ZrB₂粉体原料进行处理、控制粉体粒度或者采用纳米原料粉体、添加烧结助剂B等方法实现了单相ZrB₂陶瓷的深度致密化，但这些方法对原料的要求苛刻，原料处理也增加了工艺的难度。

发明内容

本发明提供了一种高致密度ZrB₂陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

(1)碳热还原法制备ZrB₂粉体；

(2)自蔓延法制备ZrB₂粉体；

(3)将自蔓延法制备的ZrB₂粉体作为添加剂按一定比例与碳热还原法制备的ZrB₂粉体均匀混合作为原料粉体；

(4)将混合后原料粉体装入高强石墨模具中真空热压烧结。

所述步骤(1)采用碳热还原法制备ZrB₂粉体，利用纯度均大于99.9％的ZrO₂、H₃BO₃、C为反应原料，且ZrO₂：H₃BO₃：C的质量比为100：(100～180)：(40～70)；将原料脱水、球磨后，于真空碳管炉中碳热还原反应得到ZrB₂粉体，其中，反应真空度小于10^-1Pa，反应温度为1500～2000℃，反应时间为1～6h。