[发明专利]一种超高温高熵硼化物陶瓷粉体及其制备方法

说明书

本发明涉及一种超高温高熵硼化物陶瓷粉体及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。本发明所述陶瓷粉体为单相六方晶体结构，化学式简记为TME_xB₂，TME为Ha、Zr、Nb、Ti、Ta、Mo、W和Cr中的至少四种，且TME中的元素种类数与x的乘积为1，该陶瓷粉体主要通过调控其组成成分，使其能保持稳定的单相结构，消除多组元所带来的复杂界面以及应力问题，使其具有优异的力学性能。另外，本发明首次通过感应等离子球化烧结工艺合成高熵硼化物陶瓷粉体，工艺简单，周期短，而且通过调控工艺参数，可以获得一定粒径分布的表面致密、球形度高、流动性好、无元素偏聚现象、化学结构稳定性好的高熵硼化物陶瓷粉体，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种超高温高熵硼化物陶瓷粉体及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。

背景技术

过渡金属二硼化物的超高温陶瓷(UHTCs)因其独特的物理化学性质，例如超过3000K的熔点、抗热震、耐腐蚀、高硬度、化学惰性、良好的电导率和导热率、固有的太阳能选择性和低中子吸收等，被广泛应用于航空航天(机翼前缘、鼻尖等)、太阳能(太阳能发电厂的接收器)、核反应堆、冶金(熔融金属坩埚)、切割工具、微电子等领域，但该UHTCs的断裂韧性相对较低并且超高温下的抗氧化性还不够优异。

将四种以上(包含四种)过渡族金属二硼化物以等原子比合成高熵硼化物陶瓷，将固溶相的构型熵最大化以稳定四种或四种以上二硼化物之间的形成，即S_max＝RlnN≥1.6R。高的构型熵可以促进元素间的相容性，将多相稳定至单相，使高熵相各原子随机分布在晶体点阵中，原子间半径和化学键相差较大，使晶格内部具有比传统硼化物陶瓷材料更大的晶格畸变，并且高熵会使陶瓷内部的扩散与相变速度非常缓慢，并且其在高温下不易产生晶粒粗化、再结晶等结构变化，产生动力学迟滞扩散效应，使其具有良好的高温相稳定性，因此有望突破一元过渡族金属二硼化物的固有性能，而成为一种新型的超高温陶瓷。

目前高熵硼化物陶瓷的制备主要是通过机械化学球磨或物理球磨过程将各种陶瓷组元混合均匀后通过固相烧结达到高温扩散形成单相固溶体，例如放电等离子烧结(SPS)、电弧熔炼、硼/碳热还原金属氧化物。高熵硼化物陶瓷的固相烧结温度达到了1600℃至2000℃之间，但高温下致密度依然相对较低(93％～97％)，而致密度过低会影响高熵硼化物陶瓷的力学性能，如果过度提高烧结温度反而会增加氧化物杂质，影响高熵硼化物陶瓷在工程领域的应用。目前，文献报道中提高高熵硼化物陶瓷致密度的方法只有硼/碳热还原金属氧化物结合固相烧结，其优势在于先生产更细的高熵硼化物陶瓷粉末，有助于最后的固相烧结致密化，但会进一步提高氧化物的含量，且制备工艺涉及过多的物理化学步骤，较为繁琐。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种超高温高熵硼化物陶瓷粉体，通过调控其组成成分，使该陶瓷粉体能保持稳定的单相结构，消除多组元所带来的复杂界面以及应力问题，使其力学性能(弹性模量，硬度)优于多组元混合规则；

本发明的目的之二在于提供一种超高温高熵硼化物陶瓷粉体的制备方法，首次通过感应等离子球化烧结工艺合成高熵硼化物陶瓷粉体，工艺简单，周期短，而且通过调控工艺参数，可以获得一定粒径分布的表面致密、球形度高、流动性好、无元素偏聚现象、化学结构稳定性好的高熵硼化物陶瓷粉体，具有很好的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种超高温高熵硼化物陶瓷粉体，所述陶瓷粉体为单相六方晶体结构，化学式简记为TME_xB₂，TME为Ha、Zr、Nb、Ti、Ta、Mo、W和Cr中的至少四种，且TME中的元素种类数与x的乘积为1。

进一步地，TME中的元素种类数为4～6。